环境适应型压电-电磁复合式振动能量收集关键基础研究

With the development of microelectro-mechanical technology and precision manufacturing technology, modern mechanical and electrical products increasingly miniaturized and its application is widespread day by day. Developing new energy of long life, clean environment and miniaturization has become one of the key technical problems to be solved because of the large volume, limited life and environmental pollution of chemical battery. The ambient adaptation type vibration energy harvester was investigated in order to make up the unidirection of the harvesters proposed by the researchers. Based on the low energy conversion efficiency and the expensive manufacturation fee of the cube-type multi-direction piezoelectric vibration energy harvester, an ambient adaptation type piezoelectric-electromagnetic vibration energy harvester was proposed. The power generation analysis, optimization and frequency self-tuning method of the ambient adaptation type piezoelectric-electromagnetic vibration energy harvester were investigated in order to obtain an ambient adaptation type vibration energy harvester with high energy conversion efficiency and high usefulness.

随着机电产品的日趋微型化和广泛应用，研制长寿命、清洁环保及微型化的新能源成为亟待解决的关键技术问题之一。针对目前研究者所提出的压电振动能量收集装置只能进行某个单一方向环境振动能量收集的特点，研究一种环境适应型高能量收集效率的振动能量收集装置具有重要的现实意义。考虑到前期研究中提出的立方体状多方向压电振动能量收集装置能量收集效率低且加工制作复杂，本研究提出一种环境适应型压电-电磁复合式振动能量收集装置，其具有较高的能量收集效率且加工制作相对简单。本研究拟综合利用理论分析、有限元仿真和实验验证等研究手段重点研究环境适应型压电-电磁复合式振动能量收集装置的发电性能分析、方案优化设计、自适应调谐策略等内容，以期获得一种环境适应型高效、实用的振动能量收集装置。

基于振动能的能量收集技术是一项清洁环保的新型能源技术。随着各种类型振动发电技术研究的展开和深入，在不久的将来有望成为化学电池的替代品，可广泛应用于工业生产、医疗卫生、消费电子、交通运输等诸多领域中。本研究课题着眼于环境适应型振动发电技术的探索和研究，主要研究工作如下：. （1）提出一种筒状压电-电磁复合式振动发电装置，通过新颖的结构设计和频率自调谐控制设计，其具有多方向、宽频带振动发电的能力，使得装置能在环境振动源振动方向和振动频率变化的环境中有效收集振动能量。. （2）研究了多方向激励时振动发电装置压电发电结构的发电性能，研究发现，当外界激励方向在三维空间变化时，压电发电结构的发电能力相应的会发生变化，也即振动发电装置对外界激励方向具有一定的敏感性，但是从产生电能的数值来看，除少数外界激励方向产生的电能较少外，振动发电装置均能产生较高的电能，振动发电装置具有一定的多方向发电能力。. （3）研究了多方向激励时振动发电装置电磁发电结构的发电性能，研究发现，当外界激励方向在三维空间变化时，电磁发电结构具有一定的多方向发电能力，但是沿着不同方向激励时，电磁发电结构的感应电压随着同一尺寸参数的变化规律并不一致，这就要求在设计电磁发电部分的尺寸参数时，应通过优化设计获得最优的尺寸参数组合。. （4）针对压电片在振动发电过程中的多次压电效应现象，以及振动发电装置宽频发电性能的需求，研究了考虑多次压电效应现象的振动发电装置的频率自调谐控制，基于同步开关刚度控制电路，设计了新型自适应调谐控制算法，结果表明，振动发电装置固有频率的相对变化率可以达到5%，对振动发电装置的工作频带进行了一定的拓宽。