1.广州大学 土木工程学院 广州 510006
摘要：自从工业革命之后，能源问題一直是人类社会面对的一个关键挑战。为解决能源危机对经济发展影响，一种新型的能源收集装置脱颖而出。压电型能量收集装置通过收集日常公共交通及结构物中的振动机械能，将其转化为电能，为微电子装置提供一种新的绿色能源。本文利用ANSYS软件建立圆形压电陶瓷片装置的有限元模型，分析了该收集装置动力特性及收集性能，相较于传统的矩形悬臂梁而言，圆形悬臂梁在收集电能上更具有优势。
关键词：能量收集；压电；有限元模型；圆形
引言
随着经济的发展和生活水平的提高，人们对能源的需求量也越来越高，大自然的众多资源十分有限，无法支撑人类的长期消耗。为此，学者们探索出了一种新的能源转换装置，收集日常交通及结构物的振动机械能，利用压电材料，将其转换为电能，为绿色能源路线开辟了一条新途径。
目前，有三种主流的方式实现振动能量收集及转换的装置，分别是电磁式收集装置[1-2]、静电式收集装置[3]及压电式收集装置[4]。其中以压电式收集装置的研究最多。与其他形式的收集装置相比，压电式能量收集装置具有结构简单、可微化、无电磁干扰等优势。为此，压电能量收集装置的结构性研究变得更加广泛。
1.圆形压电陶瓷能量收集装置模型
本文利用有限元软件ANSYS建立单悬臂梁圆形压电陶瓷能量收集装置模型与相应的矩形压电陶瓷能量收集装置模型，为科学比较两种模型性能，将两种模型的压电陶瓷面积设为等面积不同形状，其他参数均一致。悬臂梁模型的长度均为100mm，宽度为30mm，其中金属基底的厚度为1mm，压电陶瓷的厚度为1mm，压电陶瓷片面积均为1500mm²。压电陶瓷片采用PZT-5H型号，金属基底采用黄铜材料。为了将装置频率能和交通桥梁频率发生更好的拟合，在装置末端设置一质量块以达到降频的目的。
两种压电能量吸收装置的有限元模型如图1所示。
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图1 圆形与矩形压电陶瓷悬臂梁装置
2.圆形与矩形压电能量收集装置对比
利用有限元软件ANSYS对两种装置模型进行模态分析，前五阶频率如表1所示，通过对比可以发现圆形压电装置模型的比矩形更低，圆形压电陶瓷可以起到降频的效果。
表1 圆形与矩形压电装置模型固有频率对比（单位：HZ）
将圆形压电陶瓷悬臂梁装置模型和矩形压电陶瓷悬臂梁装置模型分别进行静力分析，设置静力加速度为1m/s²。模型相应的位移和电压如图3和图4所示
图3 加速度1m/s²下的电压对比
圆形和矩形悬臂梁相应的对比参数如表2所示，不难发现，同等面积情况下，圆形陶瓷片的位移与电压相比较，圆形陶瓷片的位移和最大耦合电压都更大一些。
表2 圆形与矩形压电装置模型位移和电压对比（单位：HZ）
3.结论
由上述有限模拟软件计算结果可知：
（1）圆形压电片相较于矩形压电陶瓷片在能量收集装置中降频效果更加明显，交通桥梁一般为10HZ以下的低频结构，为能更高效率的收集能量，可以利用圆形压电陶瓷片降低结构频率，拟合装置和桥梁的基础频率。
（2）在相同加速度下，圆形压电陶瓷能量收集装置比矩形压电陶瓷能量收集装置能产生更大的位移，虽然增幅只有2%，但是也说明了通过形状的优化对于能量收集效率的提升是十分有前景的。
（3）利用有限元软件ANSYS将压电陶瓷片表面进行电压耦合，相比较最高的电压输出，圆形压电陶瓷能量收集装置更具有优势，但是高水准的电压输出覆盖面不如矩形压电陶瓷能量收集装置，通过分析不难看出，最高电压输出位置对于相对位移最大处，但是圆形压电陶瓷片在单轴方向向相较于矩形陶瓷片变形更加均匀，很大一部分压电陶瓷表面处在低电压覆盖区。
通过以上分析，改变压电陶瓷结构从而达到提高收集效果的方式是可行也具有深远意义的
参考文献：
[1]Wang P H，Dai X H，Fang D M，et al．Design，fabrication and performance of a new vibration-based electromagnetic micro power generator［J］．Microelectronics，2007，38（12）：1175－1180．
[2]Shearwood C，Yates R B．Development of an electromagnetic micro-generator［J］．Electronics Letters，1997，33（22）：1883－1884．
[3]Mitcheson P D，Miao P，Stark B H，et al．MEMS electrostatic micropower generator for low frequency operation［J］．Sensors and Actuators A，2004，115（2－3）：523－529．
[4]禇金奎，杜小振，朴相镐． 压电发电微电源国外研究进展［J］．压电与声光，2008，30（1）：22－25．