圆盘式压电发电装置的研究文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

目前，压电能量收集器广受关注。小型原件的低能耗推动了这一方面的研究。目的是为了利用工作环境中的振动能来为微电子器件供电，减少甚至完全替代外部电源和化学电池。

微型电子器件的迅速发展推动了微能源的研究，而且，微能源不再局限于各种常规的化学电池，还有各种微型的发电装置，例如微型温差电源、静电转换发电微能源、电磁发电微能源和压电发电微能源等。目前各种微能源可以概括为：化学能微能源、燃料型微能源、利用环境发电微能源和收集环境振动微能源。

表1 各种功能形式能源密度的比较

表 1给出了各种微能源密度的比较情况。由表可知：化学能电池和燃料电池的能量密度随着时间的推移急剧下降，供能寿命有限，需要对电池进行定期更换，而利用环境能为微系统提供能量稳定，输出能量密度不随时间的变化而发生变化，可以实现长期供电，但是在短时间内能量密度也会受环境影响波动较大，如太阳能电池会随着光照的强度发生显著改变，温差电池也会随着温度改变而发生起伏不定的变化。利用环境振动驱动的微型发电装置可以不断的将环境振动能转换为微系统所需的电能，相比较电磁转换、静电转换和压电转换这三种微型发电装置，其中基于压电能量转换的压电发电装置能量密度最高，且能量密度不随时间的变化而改变。

表2各种供能形式的比较

表2 给出了收集环境能量的方法在微系统应用中的优缺点，经过分析综合比较，可以发现，压电能量转换方法力电转换性能好、结构简单、能耗低易微型化，因此具有广阔的应用前景。

1. 压电材料

压电材料是将振动能转换为电能的核心功能材料，是制备高性能压电能量收集器的关键所在。存在两种能量密度极高的材料，PVDF 压电聚合物（,）和弛豫压电单晶，如PZN-7%PT（,），但是，合成大体积的 单晶材料和聚合物材料较为困难，且成本较高。因此，对于体材料，目前关注的主要问题是如何提高多晶陶瓷的性能。基于以上原因，压电多晶陶瓷目前仍作为振动能量收集器中使用最广泛的压电材料。

在家用和医疗应用中无铅压电陶瓷材料的使用备受关注。在所有可供选择的无铅陶瓷中，基于（Na、K）NO3（KNN）的陶瓷格外引人注目，主要原因是：1、在较大的温度范围内存在压电特性； 2、存在多种可能的替代物和补充物。 目前，基于碱铌酸盐的压电陶瓷已经由欧洲和日本等几家公司实现商业化，并且有望在不久的将来被大量使用。然而，在选择压电能量收集器应用材料时不能忽视压电多晶陶瓷的易碎性，研究结果显示，在信号频率较高的载荷作用下，压电陶瓷易于出现疲劳裂纹，导致脆性断裂，严重影响压电能量收集器的使用寿命。