基于鐵電結(jié)構(gòu)的能量捕獲及存儲技術(shù)研究.pdf

1、在過去的幾年中,由于期望便攜式設(shè)備和無線電設(shè)備的電池使用期限不斷增加,促進能量捕獲及存儲領(lǐng)域產(chǎn)生了根本性的發(fā)展。當(dāng)前的便攜式設(shè)備和無線電設(shè)備都是由電化學(xué)電池提供能源的,電池有限的壽命給使用帶來很多麻煩,必要時需要定期更換電池。至于在電池容量有限的外部場所的情況下,傳感器本身必須很容易獲得能源或允許設(shè)備一次性使用很長一段時間。為此,需設(shè)計能夠捕捉周圍環(huán)境能量,并將環(huán)境能量轉(zhuǎn)化為可用電能的電源設(shè)備。能量捕獲的理念就是開發(fā)不需替換供電電源的自

2、供電設(shè)備。在周圍環(huán)境當(dāng)中,始終存在著一些可以捕獲的能量,包括廢熱、振動、電磁波、風(fēng)能、水能、太陽能等等。其中,振動能量是無處不在的,但往往比較微弱或者不夠連續(xù),想要有效的使用它們,就需要將這些能量收集起來,然后轉(zhuǎn)化處理成設(shè)備可用電能,并且存儲到合適的介質(zhì)當(dāng)中去。
　　 本文基于鐵電材料的鐵電效應(yīng),研究如何高效的將鐵電材料轉(zhuǎn)換出來的電荷能量收集整理并存儲起來,在需要時為便攜式設(shè)備或無線電設(shè)備提供能源。關(guān)鍵在于收集整理存儲電能的過程

3、中,如何盡可能的減小損耗,提高能量捕獲效率,并最終實現(xiàn)長壽命、高能量密度、集成化等優(yōu)點。本文的側(cè)重點是電路結(jié)構(gòu)設(shè)計,通過仿真分析和實驗驗證相結(jié)合的方法,發(fā)展能量捕獲及存儲技術(shù)。
　　 本文分六章,各章的主要研究內(nèi)容如下:
　　 第1章,概述本課題的研究背景與意義。在綜合能量捕獲及存儲技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,提出本課題的主要研究內(nèi)容及研究過程中的特色以及創(chuàng)新點。
　　 第2章,研究如何提高能量捕獲及存儲效率。歸納總結(jié)

4、了壓電式能量捕獲及存儲的各種方法,對比各種方法的在不同情況下的優(yōu)缺點,并分析其可實施性。影響效率的幾個關(guān)鍵因素包括:壓電材料類型、壓電材料結(jié)構(gòu)、耦合模式、耦合系數(shù)、諧振頻率、電路結(jié)構(gòu)、存儲介質(zhì)等。通過各種方法,改變這些因素,能夠達到提高效率的目的。
　　 第3章,介紹鐵電材料特性;分析鐵電懸臂梁模型。對本研究中所使用的基本材料鐵電體做了大概介紹,主要包括鐵電疇結(jié)構(gòu)及PMN.PT特性,并對鐵電懸臂梁進行了理論分析。
　　

5、第4章,分析能量捕獲及存儲電路結(jié)構(gòu)。對于鐵電材料因應(yīng)變而產(chǎn)生的電量,必須要進行整流、濾波、穩(wěn)壓幾個步驟,才能為大多數(shù)電子設(shè)備所用。本章節(jié)內(nèi)容主要是先使用Orcad電路仿真軟件對幾種整流濾波電路進行模擬仿真,然后選擇合適的穩(wěn)壓芯片和其他電子元件,最后使用Protel電路設(shè)計軟件,完成電路結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計。
　　 第5章,能量捕獲及存儲的實驗研究。搭建鐵電懸臂梁振動試驗臺及基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。使用設(shè)計好的電路結(jié)構(gòu),對鐵電