發(fā)送至龔大神張

1、答 辯 人： 張 宏 雨學(xué) 號： 201011010121專 業(yè)： 交通工程1001班指導(dǎo)老師： 盧 守 峰壓力發(fā)電的發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計壓力發(fā)電的發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計 Generating structures design of piezoelectric power generation 目 錄一、研究目的和現(xiàn)狀一、研究目的和現(xiàn)狀二、壓電發(fā)電基礎(chǔ)理論分二、壓電發(fā)電基礎(chǔ)理論分析析三、壓力發(fā)電的發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計三、壓力發(fā)電的發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計四、壓電發(fā)電試驗(yàn)分析四、壓電發(fā)電試驗(yàn)分析五、總結(jié)五、總結(jié)一、研究目的和現(xiàn)狀1.1 研究目的l采集生活中無處不在的振動能量。一、研究目的和現(xiàn)狀l 解決能源危機(jī)，實(shí)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)

2、展。1.1 研究目的一、研究目的和現(xiàn)狀1.1 研究目的l為日益增加的交通工程設(shè)施供電，確保交通安全。一、研究目的和現(xiàn)狀1.2 研究現(xiàn)狀（1）日本音力公司發(fā)電地板：核心材料：直徑約30mm的壓電元件；尺寸：每塊約500500mm；體重約60公斤的人踩踏一次可產(chǎn)生 0.10.3瓦左右的電。一、研究目的和現(xiàn)狀1.2 研究現(xiàn)狀（2）以色列開放世界上第一條會發(fā)電的公路。（3）美國伯克利勞倫斯國家實(shí)驗(yàn)所用“薄膜病毒” 研發(fā)的發(fā)電鞋。（4）中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究研發(fā)的發(fā)電地板亮相南京路步行街。二、壓電發(fā)電的基礎(chǔ)理論分析 2.1壓電材料基基礎(chǔ)礎(chǔ)知知識識2.2壓電材料發(fā)發(fā)電電方方式式 壓電發(fā)電片壓電效應(yīng)壓電性

3、能參數(shù)壓電方程發(fā)電工作模式 支撐方式激發(fā)方式連接方式二、壓電發(fā)電的基礎(chǔ)理論分析2.1 壓電材料基礎(chǔ)知識2.1.1 壓電發(fā)電片 由壓電陶瓷材料和金屬片（銅或不銹鋼）制作而成。 尺寸： 陶瓷：50mmx35mmx0.2mm； 基板：60mmx37mmx0.2mm。 懸臂支撐，自由端最大變形量10mm； 簡支支承，中間位置最大位移量5mm。矩形壓電發(fā)電片 二、壓電發(fā)電的基礎(chǔ)理論分析 尺寸：陶瓷片直徑40mm；基板直徑50mm。 簡支支承，中間位置最大位移量1mm。圓形壓電發(fā)電片 二、壓電發(fā)電的基礎(chǔ)理論分析2.1.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)有正正壓電效應(yīng)和逆逆壓電效應(yīng)之分，同時也具有對應(yīng)關(guān)系 正壓電效應(yīng) (

4、Direct Piezoelectric Effects) 逆壓電效應(yīng) (Converse Piezoelectric Effects) 二、壓電發(fā)電的基礎(chǔ)理論分析壓電性能參數(shù)2.1.3 機(jī)電耦合系數(shù)K機(jī)械品質(zhì)因素Qm相對介電常數(shù)彈性常數(shù)s壓電應(yīng)變常數(shù)d壓電電壓常數(shù)g工作條件參數(shù) 衡量壓電材料中機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)。指壓電材料作簡諧振動時內(nèi)部內(nèi)摩擦的損耗程度。反映壓電材料的介電性質(zhì)或極化性質(zhì)反映壓電陶瓷彈性變形的能力 反映電學(xué)量與變形量之間的關(guān)系 表示內(nèi)應(yīng)力所產(chǎn)生的電場，或應(yīng)變所引起的電位移的關(guān)系。居里溫度TC、 頻率常數(shù)N1二、壓電發(fā)電的基礎(chǔ)理論分析2.1.4 壓電方程 壓電材料既

5、是介電體，又是彈性體，具有壓電效應(yīng)和一般彈性體性質(zhì)，因此壓電材料同時具有電學(xué)和力學(xué)的雙重性質(zhì)。 壓電材料的壓電性涉及到力學(xué)和電學(xué)之間的相互作用，而壓電方程就是描述壓電體的電學(xué)量和變形量之間相互關(guān)系的表達(dá)式。二、壓電發(fā)電的基礎(chǔ)理論分析2.1.4 壓電方程 由于應(yīng)用狀態(tài)和測試條件不同，壓電材料可以處在不同的電學(xué)邊界條件和機(jī)械邊界條件下。四種不同的邊界條件可以任意選擇，在不同條件下組成不同的壓電方程。 電學(xué)邊界條件 機(jī)械邊界條件短路短路：當(dāng)壓電陶瓷的內(nèi)阻遠(yuǎn)大于兩電極間外電 路內(nèi)阻時，外電路可視為短路狀態(tài)。開路開路：當(dāng)壓電陶瓷的內(nèi)阻遠(yuǎn)小于兩電極間外電 路的內(nèi)阻時，外電路可視為開路狀態(tài)。自由自由：就是把

6、壓電陶瓷片的中間固定，邊界上應(yīng) 力為零，陶瓷片邊緣可以自由形變。夾持夾持：就是把壓電陶瓷片的邊緣固定， 邊界上的應(yīng)變?yōu)榱恪６?、壓電發(fā)電的基礎(chǔ)理論分析2.2 壓電材料發(fā)電方式2.2.1 壓電發(fā)電工作模式d31表征厚度方向的電場引起的厚度方向的形變程度。表征厚度方向的電場引表征厚度方向的電場引起起的直徑方向的形變程度的直徑方向的形變程度 兩種都是較為有效的工作模式，相比之下，d31模式下的壓電發(fā)電系統(tǒng)更容易在低頻的自然環(huán)境下產(chǎn)生諧振，從而俘獲更多的能量。二、壓電發(fā)電的基礎(chǔ)理論分析2.2.2 壓電發(fā)電片支撐方式 方式方式結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式圖例圖例應(yīng)用情況應(yīng)用情況懸臂支撐發(fā)電片一端固定另一端自由的彈性體

7、結(jié)構(gòu)適用于矩形壓電發(fā)電片剛性支撐發(fā)電片兩邊緣都固定的彈性體結(jié)構(gòu)不常用彈性支撐發(fā)電片兩端彈簧連接，可以橫向自由伸縮適用于矩形壓電發(fā)電片方式方式結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式圖例圖例適用情況適用情況簡支支撐該方式支撐點(diǎn)處于壓電發(fā)電元件振動波節(jié)上適用于圓形壓電發(fā)電片自由支撐壓電發(fā)電片形變自由度大不易安裝，很少采用。二、壓電發(fā)電的基礎(chǔ)理論分析2.2.2 壓電發(fā)電片支撐方式 二、壓電發(fā)電的基礎(chǔ)理論分析2.2.3 壓電發(fā)電片激發(fā)方式 (1)(1)慣性自由振動方式慣性自由振動方式(2)(2)強(qiáng)制振動式強(qiáng)制振動式二、壓電發(fā)電的基礎(chǔ)理論分析2.2.3 壓電發(fā)電片激發(fā)方式 （3 3）沖擊自由振動方式）沖擊自由振動方式 2.2.

8、4 壓電發(fā)電片串并連接方式壓電發(fā)電片串并連接方式 對于不同的單晶或者雙晶壓電片，串聯(lián)串聯(lián)或者并聯(lián)并聯(lián)的連接方式均可采用。三、壓力發(fā)電的發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計金屬球敲擊式金屬球敲擊式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)齒輪撥打式齒輪撥打式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)矩形壓電發(fā)電片矩形壓電發(fā)電片壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)圓形壓電發(fā)電片圓形壓電發(fā)電片壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)懸臂式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)強(qiáng)制形變式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)作用方式發(fā)電片類型壓力發(fā)電的發(fā)電結(jié)構(gòu)壓力發(fā)電的發(fā)電結(jié)構(gòu)三、壓力發(fā)電的發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.上蓋4.敲擊棒3.壓電發(fā)電片2.底板5.銷釘6.中心立柱 發(fā)發(fā)電電結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)3.1 懸臂式-金屬球敲擊式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)二、壓電發(fā)電的基礎(chǔ)理論分析2.2.3 壓電發(fā)電片激發(fā)

9、方式 (1)(1)慣性自由振動方式慣性自由振動方式(2)(2)強(qiáng)制振動式強(qiáng)制振動式三、壓力發(fā)電的發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計 發(fā)電機(jī)制發(fā)電機(jī)制外部結(jié)構(gòu)外部結(jié)構(gòu)行人踩踏，上蓋向下運(yùn)動行人踩踏，上蓋向下運(yùn)動實(shí)現(xiàn)發(fā)電實(shí)現(xiàn)發(fā)電立柱在預(yù)定范圍內(nèi)下降立柱在預(yù)定范圍內(nèi)下降帶動敲擊棒敲擊發(fā)電片帶動敲擊棒敲擊發(fā)電片3.1 懸臂式-金屬球敲擊式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)三、壓力發(fā)電的發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 懸臂式-金屬球敲擊式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)分析優(yōu)缺點(diǎn)分析優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1）發(fā)光二極管鑲嵌在上蓋上，既節(jié)省裝置制作成本，又方便 觀察者看到。 2）裝置結(jié)構(gòu)簡單，易拆卸和組裝，且制作總成本低。三、壓力發(fā)電的發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1） 裝置上蓋向下運(yùn)動

10、的位移太大，壓電發(fā)電片的工作效率不 高，功與能的轉(zhuǎn)化率較低。2）立柱下部的彈簧緩沖作用強(qiáng)，很大一部分的行人踩踏做功被內(nèi)耗，未能充分轉(zhuǎn)化為電能加以利用。 3）當(dāng)上蓋向下運(yùn)動時會碰撞到底座產(chǎn)生很大的噪聲。 4）由于壓電發(fā)電裝置中存在電路連接，在防水、維護(hù)等方面，也有較多問題需要克服。3.1 懸臂式-金屬球敲擊式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)三、壓力發(fā)電的發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 懸臂式-齒輪撥打式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.行人踩踏點(diǎn)，即“凸起”部件3.下壓齒軸5.撥打齒輪2.壓電發(fā)電片4.傳動齒輪6.底座 發(fā)發(fā)電電結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)三、壓力發(fā)電的發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 懸臂式-齒輪撥打式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu) 發(fā)電機(jī)制發(fā)電機(jī)制外部結(jié)構(gòu)外部

11、結(jié)構(gòu)行人踩踏行人踩踏“凸起凸起”點(diǎn)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)發(fā)電實(shí)現(xiàn)發(fā)電齒軸下移，齒輪傳動齒軸下移，齒輪傳動 兩側(cè)的齒輪撥打發(fā)電片兩側(cè)的齒輪撥打發(fā)電片三、壓力發(fā)電的發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 懸臂式-齒輪撥打式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu) 優(yōu)缺點(diǎn)分析優(yōu)缺點(diǎn)分析優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1）發(fā)電效率提高，“撥打”方式比“敲擊”方式能使發(fā)電片產(chǎn)生更多的電能，發(fā)光效果也很明顯； 2）上下行程減小，提高行人踩踏的舒適性； 3）齒輪傳動，將外界壓力擴(kuò)散，即同時對多塊發(fā)電片作用，達(dá)到壓力放大的效果；4）防水性能有交大改善。三、壓力發(fā)電的發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1 1）如果壓電發(fā)電片和旋轉(zhuǎn)小齒輪咬合過深，齒）如果壓電發(fā)電片和旋轉(zhuǎn)小齒輪咬合過深，齒輪轉(zhuǎn)動時會有輪轉(zhuǎn)動

12、時會有卡齒現(xiàn)象卡齒現(xiàn)象，不僅降低發(fā)電效率，還對發(fā)電，不僅降低發(fā)電效率，還對發(fā)電片造成傷害，減少其使用壽命。片造成傷害，減少其使用壽命。2 2）由于壓電發(fā)電裝置內(nèi)部是齒輪結(jié)構(gòu)，整個）由于壓電發(fā)電裝置內(nèi)部是齒輪結(jié)構(gòu)，整個裝置的厚裝置的厚度度較第較第1 1種結(jié)構(gòu)有所增加，不符設(shè)計原則。種結(jié)構(gòu)有所增加，不符設(shè)計原則。3 3）像齒輪之類的）像齒輪之類的旋轉(zhuǎn)機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)械一般一般故障問題較多故障問題較多，難以維，難以維護(hù)。護(hù)。4 4）由于壓力方向不能保證是垂直向下的，）由于壓力方向不能保證是垂直向下的，“凸起凸起”部部件與頂板之間就會產(chǎn)生件與頂板之間就會產(chǎn)生摩擦摩擦，“凸起凸起”部件容易磨損，部件容易磨損，

13、并且產(chǎn)生并且產(chǎn)生噪聲噪聲，影響行人踩踏的舒適感。，影響行人踩踏的舒適感。3.1 懸臂式-齒輪撥打式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)三、壓力發(fā)電的發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計3.2 強(qiáng)制形變式-矩形壓電發(fā)電片式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu) 矩形壓電發(fā)電片壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)底座和上蓋 發(fā)發(fā)電電結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)三、壓力發(fā)電的發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計3.2 強(qiáng)制形變式-矩形壓電發(fā)電片式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu) 矩形壓電發(fā)電片壓電發(fā)電裝置局部結(jié)構(gòu)彈簧鋼片 發(fā)電機(jī)制發(fā)電機(jī)制三、壓力發(fā)電的發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1 1）單位面積內(nèi)發(fā)電片）單位面積內(nèi)發(fā)電片陳列數(shù)量多陳列數(shù)量多，充分利用充分利用了了發(fā)電裝置中發(fā)電裝置中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空間內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空間，提高了能量轉(zhuǎn)換效率；，提高了能量轉(zhuǎn)換效率；2 2）發(fā)

14、電地板的位移量控制在發(fā)電片所能承受的）發(fā)電地板的位移量控制在發(fā)電片所能承受的最大形最大形變量（變量（3mm3mm）范圍內(nèi)）范圍內(nèi)。 優(yōu)缺點(diǎn)分析優(yōu)缺點(diǎn)分析缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1 1）正常狀態(tài)下，壓電發(fā)電片）正常狀態(tài)下，壓電發(fā)電片長期處于形變狀長期處于形變狀態(tài)態(tài)，容易破壞陶瓷片，減短壓電發(fā)電片的，容易破壞陶瓷片，減短壓電發(fā)電片的使用壽命使用壽命。 2 2）上蓋和彈簧鋼片的固定部件相接觸，同樣也會）上蓋和彈簧鋼片的固定部件相接觸，同樣也會產(chǎn)生產(chǎn)生噪聲噪聲。 3.2 強(qiáng)制形變式-矩形壓電發(fā)電片式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)三、壓力發(fā)電的發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計3.2 強(qiáng)制形變式-圓形壓電發(fā)電片式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)圓形壓電發(fā)電片底板電路集線板凹

15、槽中間凸起 發(fā)發(fā)電電結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)三、壓力發(fā)電的發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計3.2 強(qiáng)制形變式-圓形壓電發(fā)電片式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu) 發(fā)電機(jī)制發(fā)電機(jī)制行人踩踏地板行人踩踏地板實(shí)現(xiàn)發(fā)電實(shí)現(xiàn)發(fā)電上蓋擠壓橡膠帶，并向下運(yùn)動上蓋擠壓橡膠帶，并向下運(yùn)動 圓形發(fā)電片中間產(chǎn)生形變圓形發(fā)電片中間產(chǎn)生形變上蓋三、壓力發(fā)電的發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計3.2 強(qiáng)制形變式-圓形壓電發(fā)電片式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1 1）在厚度上有突破性的改進(jìn)，壓電地板）在厚度上有突破性的改進(jìn)，壓電地板厚度在20mm左右；2 2）將圓形壓電發(fā)電片置于凹槽中，）將圓形壓電發(fā)電片置于凹槽中，凹槽突起小圓柱凹槽突起小圓柱可以可以嚴(yán)嚴(yán)格控制壓電片中間的最大位移量格控制壓電片中間的最大位

16、移量，保護(hù)壓電發(fā)電片。，保護(hù)壓電發(fā)電片。3 3）軟橡膠帶軟橡膠帶的利用不僅起到密封作用，而且還起到彈簧的的利用不僅起到密封作用，而且還起到彈簧的作用，緩沖行人的巨大沖擊力。作用，緩沖行人的巨大沖擊力。 優(yōu)缺點(diǎn)分析優(yōu)缺點(diǎn)分析三、壓力發(fā)電的發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計3.2 強(qiáng)制形變式-圓形壓電發(fā)電片式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1 1）壓電地板裝置輸出）壓電地板裝置輸出電流、電壓仍不穩(wěn)定電流、電壓仍不穩(wěn)定，需設(shè)計穩(wěn)壓電，需設(shè)計穩(wěn)壓電路改善，對電能進(jìn)行存儲。路改善，對電能進(jìn)行存儲。 2 2）軟橡皮條在長期壓力作用下，會產(chǎn)生）軟橡皮條在長期壓力作用下，會產(chǎn)生塑性形變塑性形變。四、壓電發(fā)電試驗(yàn)分析 試驗(yàn)中利用電量測試軟件

17、對三種壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)正常踩踏1min累計電量對比如下：金屬球敲擊式28.396mJ齒輪撥打式90.339mJ圓形壓電發(fā)電片336.219mJ結(jié)論結(jié)論： 強(qiáng)制形變式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電量要比懸臂式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)多得多，且能量轉(zhuǎn)換效率高。 試驗(yàn)一試驗(yàn)一四、壓電發(fā)電試驗(yàn)分析 試驗(yàn)中，圓形壓電發(fā)電片壓電發(fā)電裝置在不同體重（55kg、65kg和75kg）條件下正常踩踏1min累計電量如下： 試驗(yàn)二試驗(yàn)二體重（kg）556575電量（mJ）336.219615.3711040.028結(jié)論：結(jié)論： 實(shí)驗(yàn)證明，在壓電發(fā)電片應(yīng)力范圍內(nèi)，當(dāng)行人越重，產(chǎn)生電量越多，裝置發(fā)光效果越好。 試驗(yàn)三試驗(yàn)三四、壓電發(fā)電試驗(yàn)分析 試

18、驗(yàn)中，圓形壓電發(fā)電片壓電發(fā)電裝置在相同體重（55kg），不同踩踏頻率條件下踩踏1min累計電量如下：正常踩踏快速踩踏電量（mJ）336.2191123.361結(jié)論：結(jié)論： 實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)行人踩踏頻率越高時，產(chǎn)生電量越多，裝置發(fā)光效果越好。發(fā)電片固定方式發(fā)電片固定方式發(fā)電結(jié)構(gòu)類型發(fā)電結(jié)構(gòu)類型電壓峰值（電壓峰值（V V） 電流峰值（電流峰值（mAmA）懸臂式懸臂式金屬球敲擊式金屬球敲擊式9.99.90.3050.305齒輪撥打式齒輪撥打式13.013.00.3840.384強(qiáng)制形變式強(qiáng)制形變式圓形壓電發(fā)電片圓形壓電發(fā)電片22.222.20.5310.531四、壓電發(fā)電試驗(yàn)分析 試驗(yàn)四試驗(yàn)四電壓、電流輸出分析：電壓、電流輸出分析：結(jié)論：結(jié)論：實(shí)驗(yàn)證明，圓形壓電發(fā)電片的壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的輸出電壓和電流峰值比較大。從產(chǎn)生電能的方面來看，強(qiáng)制形變式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)要優(yōu)于懸臂式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)。五、總 結(jié) 創(chuàng)新點(diǎn)創(chuàng)新點(diǎn)1 1）利用高能量密度壓電材料）利用高能量密度壓電材料 PZT-5PZT-5陶瓷材料，柔韌性，壽命陶瓷材料，柔韌性，壽命2 2）實(shí)現(xiàn)自主發(fā)電，