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    图片丢失啦 压电能量采集技术

    近年来人们对环保型能源需求的不断增长。同时,随着诸如物联网(IoT)等技术的不断发展,无线传感器及其他各种无线设备被大量部署。这些设备由于环境所限,供能问题也日益突出。目前广泛使用的电池技术也逐渐在容量和体积等多方面面临挑战。压电能量采集(PEH)技术捕获周围环境广泛存在的振动能并转化为电能,绿色环保,环境适应性强。它在满足能源多样化需求的同时,也为诸如物联网等特定应用场景下的设备自供能提供了新的发展方向。本专栏聚焦压电能量采集方面的相关研究,收集该领域近年来发表于本刊的文章6篇,旨在促进压电发电技术及相关领域的发展。

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    1. 基于同步电荷提取的高效多压电能俘获电路设计
    李毅, 夏银水, 王修登, 夏桦康, 郑翰泽
    电子学报    2021, 49 (8): 1625-1632.   DOI: 10.12263/DZXB.20200002
    摘要218)   在线全文11)    PDF下载 (4403KB)(151)    收藏

    本文提出了一种基于同步电荷提取的高效多压电能俘获电路(High Efficiency Multi-piezoelectric Energy Harvesting Circuit Based on Synchronous Electric Charge Extraction, EM-SECE).所提出的电路利用改进的正负峰值检测结构,减小了压电元件(Piezoelectric Transducer , PZT)达到电压峰值处和开关动作之间的相位差,从而提高了单个压电元件的能量收集效率.并且利用单电感的时分复用,实现基于单电感的多个压电元件振动能俘获.所提出电路具有无整流桥结构,且可以实现自供电的特点.实验结果表明,相同实验条件下,单压电EM-SECE电路的俘获功率为标准能量俘获电路(SEH)最大功率的3.09倍; 在仅用一个电感的情况下,双压电EM-SECE电路的俘获功率为两个单压电EM-SECE电路之和的97%.

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    2. 中间梁方式下压电式能量采集器发电性能研究
    闫晓东, 周公博
    电子学报    2022, 50 (2): 404-414.   DOI: 10.12263/DZXB.20201186
    摘要171)   在线全文18)    PDF下载 (3378KB)(81)    收藏

    压电式能量采集器(Piezoelectric Energy Harvester,PEH)固定方式的改变会直接影响其发电性能,而传统悬臂梁固定方式(Cantilever Beam Fixed Mode,CBFM)调频范围窄且发电性能较差.为了使PEH的发电性能最大化,提出了一种适用于任意尺寸压电片的中间梁固定方式(Intermediate Beam Fixed Mode,IBFM).同时,通过仿真和实验的方法研究了添加不同质量块后CBFM和IBFM两种固定方式的发电性能.结果表明,在相交频带处,与CBFM相比,采用IBFM后,PEH在单位加速度条件下最大开路电压和发电功率分别平均提升了95.19%和205.88%.此外,机电耦合系数(Electromechanical coupling coefficient,EMCC)平均提升了11.60%.因此,所提出的方法可以为PEH在不同频段处固定方式的选择提供指导.

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    3. 直管谐振式低频压电声能量回收系统
    顾聪, 陈远晟, 王浩, 陈威
    电子学报    2020, 48 (10): 2071-2076.   DOI: 10.3969/j.issn.0372-2112.2020.10.026
    摘要127)      PDF下载 (1084KB)(85)    收藏
    为了高效回收环境中的声能,基于阵列式压电换能器、直管谐振腔以及能量回收电路提出了一种声能量回收系统.当声波进入直管谐振腔,管中产生谐振驻波作用于压电换能器,将声能转换为电能.本文设计了能量回收电路并且进行理论、仿真分析实验研究了压电振子数量、声波频率、声压级对输出电压的影响,分析了负载电阻对输出电压及功率的影响.实验结果表明,该装置可回收不同频率的声能量,在声波频率为96Hz时发电效果最优.当入射声压级为110dB时,不使用能量回收电路,输出交流电压有效值最高达12.9V,输出交流功率最高达到799μW;使用设计的能量回收电路,最高输出直流电压为64.2V,最高输出直流功率为473μW.该声能量回收系统不仅可以作为声能量采集器,还能对无线传感节点等独立工作的微型电子系统供能.
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    4. 基于涡激振动的微型风能采集研究
    陈远晟, 黄勤斌, 赵荪翀, 王浩, 王舟
    电子学报    2021, 49 (6): 1237-1240.   DOI: 10.12263/DZXB.20200346
    摘要144)      PDF下载 (1476KB)(85)    收藏
    由于体积大、污染环境、需要定期更换,传统电池供能方式已不能适应当前外场工作的需求.涡激振动的微型风能采集装置将风能转换成电能,能够对无线传感节点等微型电子设备直接供电.基于经典Buck-Boost电路,提出了一种适用于涡激振动微型风能采集的能量接口电路.通过理论与仿真分析,所设计的能量接口电路存在最优占空比,及其对应的最大功率点.基于LabVIEW平台设计了控制程序,实验结果表明,所设计的电路与程序能够对占空比进行自动寻优,保持微型风能采集装置以最大功率输出.
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    5. 悬臂梁电极长度对压电俘能电气特性的影响研究
    白凤仙, 马慧卿, 孙建忠, 董维杰, 张梦洁
    电子学报    2019, 47 (11): 2256-2262.   DOI: 10.3969/j.issn.0372-2112.2019.11.003
    摘要147)      PDF下载 (1426KB)(181)    收藏
    悬臂梁电极长度是影响压电振动俘能特性的重要因素之一.提出了用能量分布函数描述在振动俘能过程中电场能量与电极占比的关系,并探究了电极占比对电气输出特性影响的本质.指出矩形和三角形悬臂梁获得最大功率的最优电极占比在50%~60%之间,在俘能过程中存在电荷的重新分配,且存在能量损失,在最优电极处能量损失最低,全电极时能量损失较大.仿真和实验结果均表明矩形和三角形悬臂梁的最优电极占比与能量分布函数得到的最优值相吻合,优化电极提高输出功率是可行的.
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    6. 超声无线输能通道的PSPICE等效电路研究
    王俊, 黄娟, 阎守国, 张碧星
    电子学报    2018, 46 (8): 1884-1890.   DOI: 10.3969/j.issn.0372-2112.2018.08.012
    摘要197)      PDF下载 (4805KB)(329)    收藏
    根据压电晶片厚度振动一维等效电路、传输线理论和超声传播理论提出一种PSPICE等效电路模型.该模型利用有损传输线可对压电晶片的机械损耗过程进行模拟仿真.利用该模型对超声无线输能系统声电转换通道进行了PSPICE等效电路建模和仿真,不仅得到了快速可靠的计算结果,而且简化了超声无线输能系统的电路设计过程.该方法为研究超声无线输能系统提供了有效可靠的理论和技术基础.
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