壓電式聲能發(fā)電技術(shù)研究進(jìn)展

劉佳榮，曾以成

(湘潭大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

0 引 言

噪聲是一種有害的環(huán)境污染源，也是一種潛在的有價(jià)值能源，是未來微能源領(lǐng)域發(fā)展的重要方向之一。隨著科技的快速發(fā)展，將聲能轉(zhuǎn)換為電能并加以利用已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)[1]。特別是在微電子與微制造技術(shù)的研究中，為突破微機(jī)電系統(tǒng)中的微能源供給難題，聲能發(fā)電已成為積極探索利用環(huán)境中的潛在能源為獨(dú)立工作的微電子器件供能的重要方法之一[2]。與生物能、機(jī)械動(dòng)能等能量相比，聲能不僅分布廣，而且不易受地理環(huán)境影響。因此，聲能發(fā)電技術(shù)已成為微能源研究的重要內(nèi)容。

聲能發(fā)電主要包括聲能收集和換能兩個(gè)過程。換能過程中，實(shí)現(xiàn)聲能到電能的轉(zhuǎn)換主要有兩種方式：電磁式和壓電式。按照換能方式的不同，聲能發(fā)電技術(shù)可為兩類：電磁式聲能發(fā)電技術(shù)和壓電式聲能發(fā)電技術(shù)。電磁式聲能發(fā)電技術(shù)是基于法拉第電磁感應(yīng)法則，實(shí)現(xiàn)聲能到電能的轉(zhuǎn)化，其原理簡(jiǎn)單、成本低，且轉(zhuǎn)換效率較高，但缺點(diǎn)在于要想提高輸出功率，則需要增加線圈匝數(shù)和增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度等，受結(jié)構(gòu)尺寸的限制難以實(shí)現(xiàn)器件微型化[3]。因此，近年來人們對(duì)電磁式關(guān)注度有減弱趨勢(shì)。已有研究中，早期主要應(yīng)用單一方式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換[4]，近年來也有部分學(xué)者探索將電磁式和壓電式集成，或?qū)㈦姶攀交驂弘娛睫D(zhuǎn)換機(jī)制與其他新型技術(shù)集成到一個(gè)器件中[5]，稱復(fù)合式聲能發(fā)電技術(shù)。還出現(xiàn)了利用摩擦起電與氧化石墨烯來研制納米發(fā)電機(jī)的研究[6-8]，為基于新型材料實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換的研究提供了新思路。

壓電式聲能發(fā)電基于壓電材料的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)聲能與電能的轉(zhuǎn)化。即，當(dāng)入射聲波通過壓電材料時(shí)，壓電材料會(huì)產(chǎn)生形變，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，極化現(xiàn)象形成的極化電壓促使壓電材料中的自由電荷定向流動(dòng)而產(chǎn)生電能。由于壓電材料具有較好的機(jī)電耦合效應(yīng)，以壓電材料為換能器的聲能發(fā)電技術(shù)已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。為此，文章主要綜述了壓電式聲能發(fā)電技術(shù)研究進(jìn)展，內(nèi)容包括壓電材料、聲波聚焦技術(shù)、聲能采集技術(shù)、能量收集接口電路與儲(chǔ)能技術(shù)。最后，對(duì)聲能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望，以期為聲能發(fā)電技術(shù)研究提供參考。

1 壓電材料

壓電材料對(duì)聲能發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換效率起著重要作用。一般地，把具有壓電性能的材料統(tǒng)稱為壓電材料，按其結(jié)構(gòu)特征可分為四種類型：壓電單晶、壓電多晶、壓電聚合物和復(fù)合壓電材料。壓電多晶體有時(shí)也稱壓電陶瓷，是由很多細(xì)小顆粒構(gòu)成。壓電單晶體和壓電陶瓷屬于無機(jī)壓電材料，壓電聚合物則屬于有機(jī)壓電材料。

從材料性能角度看，與其它壓電材料相比，壓電單晶體具有壓電常數(shù)高、楊氏模量低等優(yōu)點(diǎn)，但其生產(chǎn)成本高、易破裂且不能用于高強(qiáng)度電場(chǎng)環(huán)境，因而較少被選用[9]。目前，常用的壓電單晶體材料是鈮鎂酸鉛。壓電陶瓷的生產(chǎn)成本則相對(duì)較低，由于具有較高的壓電常數(shù)和易于與其它器件集成等優(yōu)點(diǎn)，在能量采集方面得到了廣泛的應(yīng)用[10]。壓電聚合物是一種具有許多重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的高分子有機(jī)材料，其優(yōu)點(diǎn)是材質(zhì)柔、低密度和低阻抗等，但壓電常數(shù)偏低。其中一種典型材料是聚偏氟乙烯(PVDF)，Wu等[11]探討了碳納米管和靜電紡絲對(duì)PVDF壓電性能的影響。在壓電性能方面，壓電單晶體和壓電陶瓷通常比壓電聚合物具有更好的壓電性能，但受外力作用時(shí)變形小而易斷裂，穩(wěn)定性較差。為綜合利用各種壓電材料的優(yōu)點(diǎn)，人們將多種壓電材料按照一定的方式進(jìn)行復(fù)合，形成壓電復(fù)合材料。該種材料韌性好、密度低且易加工，在實(shí)際應(yīng)用中最為廣泛。例如，Chang等[12]將鈦酸鋇晶體和M13病毒模板合成研發(fā)了一種柔性納米發(fā)電機(jī)，在3.5 Hz的頻率作用下獲得300 nA和6 V的輸出。

2 聲波聚焦技術(shù)

聲波聚焦的目的是使聲波能量在一定范圍內(nèi)得以匯聚，其原理是通過反射或透射，使聲波在一定空間內(nèi)形成高能量聚束區(qū)域，提高聲波在特定方向的傳播距離與強(qiáng)度。目前，實(shí)現(xiàn)聲波聚焦的方法主要有：聲透鏡聚焦法、超聲解調(diào)聲波定向法、多單元相干組陣法、電子相控陣聚焦法及幾何曲面反射法等[13-17]。表1對(duì)聲波聚焦常用的五種方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要比較。

表1 常見的聲波聚焦方法比較

在聲能發(fā)電領(lǐng)域，2018年李志斌[18]采用旋轉(zhuǎn)式的拋物面反射罩設(shè)計(jì)了一種噪聲發(fā)電裝置，并對(duì)比分析了有無反射罩情形下裝置的性能。結(jié)果可得，安裝與未安裝反射罩的裝置的最大輸出功率分別為0.51 mW和0.31 mW，最大聲電轉(zhuǎn)換效率分別為5.1%和1.3%；相同負(fù)載條件下，無反射罩的噪聲發(fā)電裝置輸出電壓與功率都比有反射罩的小。由此可知，反射罩能有效匯聚環(huán)境中的噪聲能量。

目前，在聲能發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的是幾何曲面反射法，即利用反射罩來實(shí)現(xiàn)聲波聚焦。相比起其他聲波聚焦方法(例如電子相控陣聚焦法和聲透鏡法等)，由反射罩組成的聚焦系統(tǒng)具有指向性好和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，有望在國(guó)防軍工、農(nóng)業(yè)、航天航空等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

3 聲能采集技術(shù)

在聲能利用研究中，利用材料進(jìn)行聲能采集技術(shù)創(chuàng)新，是提高能量利用效率的重要手段，近年來受到廣泛關(guān)注。例如，2020年，金夢(mèng)[19]提出了一種基于二維聲超構(gòu)材料的超薄寬帶聲能采集結(jié)構(gòu)。聲超構(gòu)材料是一種具有周期性結(jié)構(gòu)單元的人工微結(jié)構(gòu)，通過參數(shù)的靈活設(shè)計(jì)，能產(chǎn)生許多性能優(yōu)于自然材料的結(jié)構(gòu)。該研究通過將四個(gè)單元排列成混合模式的陣列，獨(dú)立調(diào)節(jié)每個(gè)單元的幾何參數(shù)，使它們的共振頻率產(chǎn)生差異，來拓寬吸聲頻帶。仿真結(jié)果表明，頻率在428 Hz～460 Hz時(shí)，能獲得5.4 μW～11 μW的輸出功率。由于環(huán)境中的聲能處于彌散狀態(tài)，能否高效吸收聲能是影響聲能發(fā)電裝置性能的重要因素。因此，聲能采集技術(shù)是聲能發(fā)電研究中的核心。

傳統(tǒng)的聲能采集大多基于壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖1所示。懸臂梁固定在基座上，末端固定一重物M作為振子來降低諧振頻率，以適應(yīng)低頻工作環(huán)境。外界激勵(lì)的輸入使得振子往復(fù)振動(dòng)，壓電層因形變?cè)谏舷卤砻娈a(chǎn)生電位差。此后出現(xiàn)了許多相關(guān)研究，建立了復(fù)合型懸臂梁振子模型、利用外加磁力實(shí)現(xiàn)可調(diào)頻的采集器等[20-21]，但總體而言，基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的聲能采集器能量收集效率相對(duì)較低。

圖1 壓電懸臂梁聲能采集結(jié)構(gòu)

為了提高輸出性能，人們對(duì)基于諧振器結(jié)構(gòu)的聲能采集技術(shù)做了廣泛的研究。聲諧振器是一種具有共振行為的裝置，當(dāng)入射聲波的頻率與聲諧振器固有頻率匹配時(shí)會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，進(jìn)而提高聲波振幅。聲諧振器一般有三種：亥姆霍茲諧振器、四分之一波諧振器和聲子晶體。文獻(xiàn)[22]詳細(xì)闡述了以上三種諧振器的工作原理和特點(diǎn)，此處不再贅述。以下主要對(duì)這三種聲諧振器在聲能采集技術(shù)研究中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

亥姆霍茲諧振器基于亥姆霍茲效應(yīng)，可以周期性地放大入射聲波[23]。2013年，肖鵬等[24]對(duì)兩個(gè)亥姆霍茲諧振器進(jìn)行了耦合處理，發(fā)現(xiàn)比單個(gè)諧振器的輸出功率提高了16倍。2019年,Iftikhar Ahmad等[25]利用聲能給無線分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)供電，采用雙亥姆霍茲諧振器來進(jìn)行聲能收集，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙亥姆霍茲諧振器

也有研究突破了傳統(tǒng)的亥姆霍茲諧振器設(shè)計(jì)思路，通過改變各項(xiàng)參數(shù)來探究最佳方案。2016年，F(xiàn)arid Khan等[26]提出了一種帶錐形腔的亥姆霍茲諧振器的聲能收集結(jié)構(gòu)，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明通過改變諧振腔結(jié)構(gòu)可以改善輸出性能。

圖3 錐形腔亥姆霍茲諧振器

四分之一波諧振器在亥姆霍茲諧振器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化[27]，可以以較小的體積吸收聲能。2013年，Bin Li等[28]設(shè)計(jì)了一種四分之一波直管聲諧振器，通過內(nèi)部所置的壓電懸臂梁實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換。為改善一般裝置能量收集方向單一的缺點(diǎn)，2020年，Xincun Ji等[29]提出了一種四分之一球面雙亥姆霍茲聲能采集結(jié)構(gòu)，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)由兩個(gè)頸部開口方向不同的四分之一球形亥姆霍茲諧振器組成，可以在兩個(gè)方向上采集聲能。同年，Pejman Eghbali等[30]提出了一種新的聲能收集方法，將矩形聲管作為四分之一波諧振器使用，并在入口處加上了輔助結(jié)構(gòu)，如圖5所示，這種方法能實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻聲能的有效收集。

圖4 球面雙亥姆霍茲諧振器

圖5 帶輔助結(jié)構(gòu)的矩形聲管

聲子晶體的組成單元呈周期性排列，特殊的結(jié)構(gòu)使其具有很強(qiáng)的調(diào)制、控制和操縱聲波的能力[31]。如果將點(diǎn)缺陷引入聲子晶體，會(huì)出現(xiàn)聲波局域化現(xiàn)象，即，缺陷中心及附近的聲能量密度增大，使得缺陷處的聲壓被放大，所以含點(diǎn)缺陷的聲子晶體可用于聲能采集。2009年，Wu等[32]應(yīng)用聲子晶體研制了一種聲能采集器，在頻率為4.2 kHz、80 dB～100 dB聲壓激勵(lì)下，采集器的輸出功率可達(dá)37 nW左右。2015年，楊愛超[31]對(duì)聲子晶體諧振腔進(jìn)行了深入的研究，提出了一種雙層、多層耦合聲子晶體諧振腔結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 多層耦合聲子晶體諧振腔結(jié)構(gòu)

該研究將較小聲子晶體放置在較大聲子晶體的腔體中心位置，層層疊加，構(gòu)造出雙層、多層耦合的新聲子晶體諧振腔CPCR。實(shí)驗(yàn)中改變多個(gè)聲子晶體的散射體的大小及數(shù)目來進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，諧振腔的聲壓增益峰值與耦合層的數(shù)目呈正相關(guān)。這是因?yàn)橹C振器之間的聲波耦合作用增強(qiáng)了整個(gè)結(jié)構(gòu)的聲波局域化效應(yīng)，在一定程度上提高了聲壓增益。

4 能量收集接口電路與儲(chǔ)能技術(shù)

經(jīng)過換能元件得到的交流電流十分微弱，不具備直接供能的條件，需通過能量收集接口電路進(jìn)行管理和調(diào)制，最后利用儲(chǔ)能元件將電能進(jìn)行儲(chǔ)存。

4.1 能量收集接口電路

能量收集接口電路作為過渡結(jié)構(gòu)，不僅會(huì)影響到能量收集電路整體的提取功率和轉(zhuǎn)換效率，而且會(huì)反向?qū)弘姄Q能器的工作產(chǎn)生干擾，改變其原始機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

常見的壓電能量收集接口電路有以下四種典型類型：標(biāo)準(zhǔn)能量收集電路(SHE)、串聯(lián)同步開關(guān)電感電路(S-SSHI)、并聯(lián)同步開關(guān)電感電路(P-SSHI)和同步電荷提取電路(SECE)。表2對(duì)該四種電路進(jìn)行了簡(jiǎn)要比較[33-36]。

表2 四種典型的壓電接口電路

針對(duì)四種經(jīng)典接口電路所存在的問題，出現(xiàn)了多種經(jīng)過優(yōu)化的接口電路[37-40]。人們通過改進(jìn)電路開關(guān)的控制方式、降低二極管閾值電壓、組合已有接口電路等方式，開發(fā)出了性能更優(yōu)的接口電路。在所有的接口電路中，并聯(lián)同步開關(guān)電感電路和同步電荷提取電路因具有能量收集效率高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。簡(jiǎn)述如下：

(1)并聯(lián)同步開關(guān)電感電路

冷啟動(dòng)問題一直是影響接口電路性能的重要因素之一，即當(dāng)外界激勵(lì)偏低時(shí)，系統(tǒng)電路收集到的能量無法對(duì)電路正常供電。針對(duì)P-SSHI電路中的冷啟動(dòng)問題，2020年唐鎖[41]和程波[42]分別提出了一種具有冷啟動(dòng)功能的壓電能量收集系統(tǒng)。這些研究中，通過將分離電極與P-SSHI電路結(jié)合來提高開路電壓，從而解決系統(tǒng)的冷啟動(dòng)問題。其次，如何降低整流過程中的電壓損耗也是電路研究的重要內(nèi)容。2018年，劉簾曦等[43]將P-SSHI電路與降壓型DC-DC結(jié)合，提出了一種新型電路。為了降低損耗，用有源二極管取代了無源二極管，收集效率提高到了SEH的7倍。2019年，陳福[44]基于P-SSHI電路設(shè)計(jì)了一種低功耗的壓電接口電路，采用同步開關(guān)技術(shù)，對(duì)壓電元件的輸出進(jìn)行整流。該電路收集效率是SEH電路的2.87倍且自耗低至10.6 pW。同年，秦剛[45]對(duì)電路的自適應(yīng)性進(jìn)行了研究，改善了電路的自適應(yīng)性，提高了輸出性能。

(2)同步電荷提取電路

2013年Yipeng Wu等[46]提出了一種優(yōu)化的SECE電路，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能自供電，而且在很大的負(fù)載范圍內(nèi)，收集功率都得到了提高。2014年，孟瑩梅等[47-48]提出了一種新型接口電路(SCEI)，收集功率約是SECE電路的1.5倍。2015年，該團(tuán)隊(duì)又通過省去開關(guān)并聯(lián)支路的開關(guān)，用四個(gè)電子開關(guān)代替整流橋，將電路的最大輸出功率提高至SECE電路的3倍。2020年，周天爍[49]基于耦合電感設(shè)計(jì)了一種同步電荷提取和電壓翻轉(zhuǎn)接口電路，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)能量自給，負(fù)載取用功率提高到SECE電路的1.76倍，但該電路的冷啟動(dòng)功能仍存在不足。

4.2 儲(chǔ)能技術(shù)

早期，存儲(chǔ)電能主要采用電解電容方式[50-52]。但該方式能量密度相對(duì)較低，限制了儲(chǔ)能元件的輸出功率。2005年，Henry A等[53]對(duì)電容器和可充電電池(金屬氫化鎳)兩種儲(chǔ)能方式的效果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)可充電電池比電容器具有更理想的性能。2008年，Guan等[54]將可充電電池與超級(jí)電容的充放電效率作一對(duì)比，發(fā)現(xiàn)超級(jí)電容與可充電電池相比，具有小體積、大電容量、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但其能量密度很低，僅為可充電電池的1/10。

目前，通常用能量收集芯片來實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充電和管理。很多公司已經(jīng)開發(fā)出了各種各樣的能量收集芯片。常用的芯片有BQ25504和LTC3330等。BQ25504芯片是可充電的，可供采集輸出為直流電壓的能量源的能量，能實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)和自供能[55]。LTC3330芯片能收集來自多種能量源的能量，且能延長(zhǎng)電池的使用壽命。其中，芯片主要使用二極管整流橋來處理壓電換能器輸出的電能。但是，二極管整流橋在一定程度上會(huì)抑制輸出功率的增長(zhǎng)，同時(shí)這些芯片缺少了MPPT電路部分，這些外部缺陷導(dǎo)致壓電式能量收集率相對(duì)較低[56]。

5 總結(jié)與展望

聲能廣泛存在于自然界中，當(dāng)聲能密度較大時(shí)就成為一種具有相當(dāng)利用價(jià)值的能源。聲能發(fā)電技術(shù)是將聲能變?yōu)殡娔芤源藢?shí)現(xiàn)對(duì)該能源的利用，在復(fù)雜環(huán)境下可以取代傳統(tǒng)的電池為低能耗獨(dú)立工作的微型器件或系統(tǒng)供電，應(yīng)用前景十分廣闊。目前，國(guó)內(nèi)外的聲能發(fā)電技術(shù)尚處于研究階段。近些年來，隨著微能源供給難題的研究深入，聲能發(fā)電技術(shù)取得了快速發(fā)展，其中基于壓電材料換能的壓電式聲能發(fā)電技術(shù)是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在壓電材料、聲波聚焦技術(shù)、聲能采集技術(shù)及儲(chǔ)能技術(shù)等方面出現(xiàn)了許多新成果，為進(jìn)一步提高聲能發(fā)電水平提供了理論與技術(shù)支撐。但目前聲能發(fā)電技術(shù)仍存在許多難點(diǎn)尚未解決，如裝置的聲能收集效率較低、吸聲頻帶較窄、集成化水平較低等問題。未來，對(duì)聲能發(fā)電技術(shù)研究可以重點(diǎn)考慮如下幾個(gè)方面：其一、通過對(duì)現(xiàn)有材料進(jìn)行處理或研制新型高性能的材料，以提高裝置的換能效率；其二、通過改進(jìn)聲能收集結(jié)構(gòu)及裝置整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以適應(yīng)不同聲源特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多方向和寬頻帶吸聲；其三、不斷完善加工工藝，提高聲能發(fā)電裝置的集成化水平。