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振动能量转化成电能

一、压电式

1.1压电效应

压电材料的压电效应，成为了机械能转换为电能最简单的一种方式。当某些电介质受到

一定方向的外力作用并发生一定形变时，它的内部会产生极化现象使得它的两个相对表面上

出现正负电荷，产生电场。当外力消失后，形变随之消失，它恢复不带电状态。这种现象就

是压电效应。

压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。所谓正压电效应，当被极化的晶体受到某固

定方向外力的作用时，晶体内部产生电极化的现象，同时在对应表面积聚极性相反的电荷；

而当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之

改变；晶体受力形变所产生的电荷量与外力的大小成正比。我们经常利用正压电效应原理制

作压电式传感器。

逆压电效应又被称作是电致伸缩效应，即当对被极化的晶体某两个表面施加交变电场引

起晶体周期性机械变形的现象。我们通常利用逆压电效应来制作高频振动器件，例如超声马

达等。压电敏感元件的受力变形共有5种，分别是厚度变形型、长度变形型、体积变形型、

厚度切变型、平面切变型。但压电晶体通常是是各向异性的，也就是说并非所有晶体都能在

这5种状态下产生生逆压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚

度变形和长度变形压电效应。

某些煤气灶和热水器中便用到了压电效应。在一些煤气灶和热水器中安装有一种压电点

火装置，压电点火装置中有一块压电陶瓷。当人们用力按下点火开关时，压电点火装置中的

传动装置将力传递至压电陶瓷上，压电陶瓷由于受到外力便会产生高压，压电陶瓷的电能被

引至燃气出口处放电，于是，电火花便将燃气点燃。

1.2压电应力模式

压电能量采集可以利用压电材料的两种工作模式，如下图所示，分别为以d和d模

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式。d模式的压电能量采集器所受的应力方向与极化方向垂直，电极层在压电层的上下表

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面，如下图所示。而d模式的压电能量采集器所受的应力方向与极化方向平行。通常压电

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层上表面采用正负交错的叉指型电极，下表面直接与弹性层相连接。

1.3压电回收结构

近年来，国内外学者对压电式能量回收技术进行了大量研究。目前，国内外学者研究的

典型的压电式能量回收装置按结构分有两种：悬臂梁式和圆膜式，它们的结构如下图所示。

悬臂梁式

圆膜式

悬臂梁式支撑方式采用梁一端固支，另一端自由的方式，其系统最容易获得最大挠曲与

柔顺系数，也就是说容易产生弯曲变形，而一端固支，也保证了自由振动时只会产生弯曲变

形，扭转变形极小，因此保证了转化效率；而且悬臂梁系统可以通过在自由端加装质量块的

方式调节系统谐振频率。

圆膜式支撑方式是采用周边固支或者简支的压电圆盘结构，这种结构适用于周期性载荷

较大的情况下，能产生周期性的电压，且结构稳定。

1.4压电能量采集现状

2004年澳大利亚国立大学的ShadRoundy等人设计并建立了能够收集低水平振动能的

基于压电材料悬臂梁装置，该装置在合适的条件下能够为无线网络提供足够电能。2005年

他们对这种装置进行了改进，使其能够在不同的机械振动频率能量收集效率达到更高。2011

年同济大学的赵鸿铎等人研究了基于压电效应的路面能量收集技术，该技术是通过运用路面

的应力驱动和振动驱动能来进行能量转换。在初步的室内试验中，置于沥青混凝土试件中的

钹式压电换能器阵列在20Hz，峰值为0.7MPa载荷的作用下，可产生高达254V的电压，并

且可点亮8个LED灯。经过对钹式压电换能器优化和仿真分析，在20Hz，0.7MPa的载荷

作用下，单个钹式压电换能器可获得的电能最高可达1.2mW。上海交通大学采用MEMS工

艺制作了悬臂梁发电结构，以PzT薄膜作为换能器构成发电系统，在负载电阻为20.4kΩ时，

谐振频率点功率可达到1.15W。

由于近年来MEMS技术和微功耗集成电路技术迅速发展，压电薄膜技术研制的微型振

动能量收集器也越来越多。因此，压