壓電材料的蓄電和放電系統(tǒng)

丁 寶， 王林月， 吳智量

(廣州大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院 ,廣東 廣州 510006)

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壓電材料的蓄電和放電系統(tǒng)

丁 寶， 王林月， 吳智量

(廣州大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院 ,廣東 廣州 510006)

根據(jù)壓電效應(yīng)理論，自制了PZT-5H壓電陶瓷和磷青銅基板構(gòu)成雙晶壓電振子,作為基本元件，使機(jī)械能轉(zhuǎn)換電能的效率最大。配合橡膠與彈簧，構(gòu)建坐壓式壓電發(fā)電裝置，經(jīng)全橋整流后，采集能量，并經(jīng)放大后，充入蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)。利用ARM單片機(jī)構(gòu)建智能控制蓄電放電系統(tǒng)，對(duì)壓電裝置的發(fā)電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)人工選擇不同方向供電，提高能源率。該系統(tǒng)可以用在公交等汽車的座位上人流量大的地方推廣應(yīng)用，將人壓座位的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，向汽車上的周圍裝置供電。

壓電振子； 壓電發(fā)電裝置； 控制蓄電放電系統(tǒng)

0 引 言

隨著世界工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的劇增，導(dǎo)致了資源的日益缺乏和世界氣候的日益惡化。因此，新能源綠色環(huán)保技術(shù)己成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)，而壓電發(fā)電技術(shù)符合新能源的環(huán)保、低碳要求，受到各國(guó)研究人員的重視和關(guān)注。

在公交汽車上，每天都有不計(jì)其數(shù)的人坐在座位上，而且在1 d內(nèi)的某幾個(gè)時(shí)間段內(nèi)，會(huì)有人不斷壓座位，座位則在經(jīng)受壓的作用產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變、位移以及一定程度的振動(dòng)。此時(shí)，座位將從重力的做功中獲取動(dòng)能。因此，如果將這些振動(dòng)能量收集起來(lái)，轉(zhuǎn)換為電能的形式加以利用，不但能減少結(jié)構(gòu)損傷、降低噪聲、減輕環(huán)境污染，而且對(duì)人類社會(huì)日益匿乏的能源將是一個(gè)補(bǔ)充。

基于壓電材料的振動(dòng)能量采集技術(shù)是一種綠色環(huán)保技術(shù)，符合當(dāng)今社會(huì)“低碳”的主題，而且對(duì)于一些低功耗的元器件，壓電電源能夠滿足其自供電的要求，同時(shí)還具有較長(zhǎng)的壽命，應(yīng)用前景廣闊。本文以壓電電源為應(yīng)用前景，研發(fā)了一種新型“純電動(dòng)汽車能源自供系統(tǒng)”，開(kāi)發(fā)了坐壓式新型壓電發(fā)電裝置，脈沖式能量采集電路，能夠間斷存儲(chǔ)脈沖電量的新型蓄電系統(tǒng)，利用所需電能驅(qū)動(dòng)汽車上小燈照明或者為乘客提供手機(jī)充電裝置等。

1 系統(tǒng)的整體架構(gòu)

用PZT-5H壓電陶瓷和磷青銅作原材料自制壓電振子，建立數(shù)學(xué)模型分析其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)輸出功率的影響，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定最佳的振子結(jié)構(gòu)，并以此結(jié)構(gòu)制作對(duì)應(yīng)的壓電振子。

設(shè)計(jì)懸臂梁式壓電發(fā)電模塊，懸臂梁支撐方式適合于低激勵(lì)水平下的壓電發(fā)電裝置。利用橡膠作為緩沖物，防止形變時(shí)超出振子可承受的限度，提升了振子的抗疲勞性能。

利用STM32嵌入式內(nèi)核，開(kāi)發(fā)智能控制蓄電放電系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)以下功能：①對(duì)中型壓電發(fā)電裝置所發(fā)電能實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)；②對(duì)蓄電池電量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；③控制蓄電電池供電去向，如照明燈，低功耗充電裝置等。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的操作流程大概如圖1所示。

圖1 裝置應(yīng)用流程圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的劃分和設(shè)計(jì)

2.1 自制壓電振子

(1)壓電效應(yīng)及壓電陶瓷。壓電效應(yīng)就是機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換，即壓電材料在外界振動(dòng)激勵(lì)作用下發(fā)生形變，引起材料內(nèi)部應(yīng)力的變化，其內(nèi)部電荷產(chǎn)生電位移從而產(chǎn)生了電場(chǎng)。反過(guò)來(lái)，當(dāng)給壓電材料加以交流電時(shí)，壓電材料也能產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，即稱作逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)使得壓電材料本身就具有傳感器的性能。

當(dāng)外力作用到壓電陶瓷上并引起材料變形，材料內(nèi)部正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小，因此原來(lái)吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象；當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片回復(fù)原狀，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象，電荷在電路中移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)外部負(fù)載做功，向外輸出電能，如圖2所示。

圖2 壓電發(fā)電原子示意圖

(2)壓電振子。能受外加交變信號(hào)的激勵(lì)而形成振動(dòng)的壓電晶體或壓電晶體與彈性體的連接體稱為壓電振子。壓電轉(zhuǎn)換就是通過(guò)壓電振子的正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的機(jī)械振動(dòng)能和電能之間的相互轉(zhuǎn)化。

(3)壓電陶瓷的制作。PZT陶瓷的制備：取一定量的PZT粉末與適量的5%PVA膠液在瑪瑙研缽中均勻混合,然后在不銹鋼模具壓力6 MPa下，制得生坯。以3 ℃/min的速率在箱式硅碳棒電爐中加熱到550 ℃,保溫1 h后，除去PVA。然后再1 050 ℃的高溫下進(jìn)行燒結(jié)，將燒結(jié)好的PZT陶瓷片的兩個(gè)平行表面拋光處理,拋光面均勻地涂上銀漿,烘干燒滲后，還原出來(lái)的銀滲入瓷件表面，并與之緊密結(jié)合。在一定條件下對(duì)制得的PZT陶瓷進(jìn)行極化處理，使陶瓷晶體中的鐵電疇在外加電場(chǎng)作用下沿電場(chǎng)方向定向排列,呈現(xiàn)極性,顯示出壓電效應(yīng)。流程圖如圖3所示。

圖3 PZT陶瓷的制備工藝

將制作好的壓電陶瓷切割并黏貼到磷青銅基板上，則可制作出壓電振子，壓電振子的結(jié)構(gòu)對(duì)其電壓、電流、功率等輸出特性有著極大的影響。

(4)壓電振子輸出特性。將壓電振子一端基板部分露出作為固定支撐端；另一端自由，在自由端基板露出部分上端和激振器的振動(dòng)頭連接。通過(guò)信號(hào)發(fā)生器輸出控制信號(hào)，激振器帶動(dòng)振動(dòng)頭產(chǎn)生固定頻率的振動(dòng)，并將振動(dòng)傳遞給懸鼻梁支撐的壓電振子，使振子產(chǎn)生上下彎曲變形振動(dòng)，則壓電片在彎曲變形下產(chǎn)生電量，通過(guò)示波器可觀測(cè)到壓電振子發(fā)電的情況。

2.2 坐壓式壓電發(fā)電裝置

使用材料：組裝好壓電發(fā)電單位模塊×15，40 cm×30 cm有機(jī)玻璃板×2，16 cm螺釘×4。

原理：將15套壓電發(fā)電模塊置于兩層板的有機(jī)玻璃板中間，按3×5的方式排列。

設(shè)計(jì)示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 坐壓式壓電發(fā)電模型

2.3 控制蓄電放電系統(tǒng)

從壓電發(fā)電裝置輸出的電能具有高電壓、低電流的缺陷，不能滿足多數(shù)負(fù)載工作的要求，因此，需要將電量存儲(chǔ)后再為負(fù)載供電，以蓄電池作為儲(chǔ)能元件。

圖5 以蓄電池為儲(chǔ)能元件的存儲(chǔ)電路

當(dāng)輸入的直流電流電壓10～16 V經(jīng)R4向C5充電，當(dāng)C5充至5 V時(shí)，MAX712芯片內(nèi)的分流器將5 V電壓分壓給相關(guān)各級(jí)。當(dāng)電池電壓過(guò)低時(shí)，電路對(duì)電池進(jìn)行慢速充電，當(dāng)電池電壓大于一定值時(shí)，進(jìn)行快速充電，即經(jīng)VT3,L1,D4向電池充電。

2.4 監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)

設(shè)計(jì)思路：STM32核心板驅(qū)動(dòng)彩屏顯示，聯(lián)合壓電發(fā)電裝置組建智能控制、檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)顯示操作頁(yè)面，實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)電效果以及充電情況，同時(shí)可人工選擇向不同的負(fù)載供電。

系統(tǒng)主要包括三大塊功能?；拘畔@示：時(shí)間，地點(diǎn)等基本信息;蓄電情況監(jiān)測(cè)：已充電時(shí)間，充電電壓，已有電量等；供電方向控制：人工選擇供電方向。

3 結(jié) 語(yǔ)

壓電發(fā)電裝置主要是用來(lái)收集人在乘車過(guò)程中的能量，從而為電動(dòng)車電池充電和其他的低功耗電路或者設(shè)備提供電能，在具有持續(xù)或者間隙性作用力的環(huán)境中，它可以替代有線電源或者電池，為系統(tǒng)提供部分電力供應(yīng)，降低系統(tǒng)的使用和維護(hù)成本。隨著現(xiàn)階段的能源緊缺，壓電發(fā)電裝置在電動(dòng)車上將會(huì)成為未來(lái)的發(fā)展方向。

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Pure Electric Vehicle Energy Systems Confession

DINGBao,WANGLin-yue，WUZhi-liang

(College of Physics and Electronics, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

Based on piezoelectric effect theory, homemade piezoelectric ceramic PZT-5H and phosphor bronze substrate composition twin piezoelectric vibrator are taken as basic elements, and then we maximize the efficiency of mechanical energy converting to electrical energy, and use rubber and spring to built the pressure type piezoelectric power generation device. By using full bridge rectifier, energy is collected, after amplification, and stored in the battery. Using ARM microcontroller system, an intelligent control is built to manage the charge and discharge of batteries, monitor real-time condition for the piezoelectric device. The power supply can be selected artificially to different directions at the same time, so that the rate of energy increases. The system can be used in places with big stream of popularization, such as car seats of public transportation, After people sit, the kinetic energy is transferred into electricity, which can supply power to the surrounding device on the car. This will realize the development and application of new energy and protect environment with low carbon.

piezoelectric vibrator; piezoelectric generator; controlled storage and discharge system

2014-06-30

丁 寶(1990-),男,廣東茂名人,在讀碩士研究生，主要從事光電子技術(shù)應(yīng)用和激光技術(shù)應(yīng)用研究。

Tel.:020-15920145782; E-mail:2475676390@qq.com

TN 35

A

1006-7167(2015)04-0063-03