壓電能量收集器有望成為電池的替代品

標(biāo)準(zhǔn)電池的問(wèn)題

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，傳感器功耗和尺寸的大幅降低引起了對(duì)可用于補(bǔ)充或替代電池的電源廣泛研究。由于電池在使用前必須充電，因此人們一直不贊成使用電池。同樣，分布式網(wǎng)絡(luò)傳感器和數(shù)據(jù)收集組件需要集中式能源才能運(yùn)行。在少數(shù)應(yīng)用中，電池充電或更換可能很昂貴甚至不可行，例如用于偏遠(yuǎn)地區(qū)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的傳感器或局部地區(qū)的濕度或溫度傳感器。在大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)以及危險(xiǎn)、廣闊的安裝地形中，更換電池可能是一個(gè)耗時(shí)且昂貴的工程。大都市中的嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)例子。

替代選擇

理性地說(shuō)，在這些情況下，重點(diǎn)是建造能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)可用的任何能源轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電機(jī)。最近，低功耗超大規(guī)模集成電路領(lǐng)域的發(fā)展，推動(dòng)了以納瓦到微瓦功率運(yùn)行的超低功耗集成電路的創(chuàng)建。這種規(guī)模化發(fā)展為芯片級(jí)能量收集技術(shù)鋪平了道路，消除了對(duì)化學(xué)電池或微傳感器復(fù)雜布線的需求，為無(wú)電池的自供能傳感器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

標(biāo)準(zhǔn)電池的替代方法是利用電路周圍區(qū)域的剩余能源。剩余能源由工業(yè)機(jī)械、人類活動(dòng)、汽車、建筑和環(huán)境資源產(chǎn)生，所有這些都可用于收集少量能量，而不影響能源本身。此外，能量收集還可以為不適合使用電池的惡劣氣候環(huán)境提供解決方案，例如溫度高于60°C的環(huán)境。近年來(lái)，已經(jīng)開發(fā)了許多從微米到納米尺度的能量收集系統(tǒng)，包括太陽(yáng)能、電磁、熱電、電容和壓電。

壓電換能器

電磁、壓電和靜電換能器都可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。然而，由于壓電換能器具有較高的能量密度，與其它兩種換能器相比，壓電換能器被認(rèn)為是更理想的選擇。與靜電換能器相比，壓電換能器具有許多優(yōu)點(diǎn)：

1. 即使薄膜厚度減小，壓電材料的能量密度也保持較高水平，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化。

2. 壓電換能器在低電壓下運(yùn)行。

3. 機(jī)械和電氣部件的連接增加能量收集的可能性。

4. 易于創(chuàng)建高頻、溫度穩(wěn)定的諧振系統(tǒng)。

壓電能量發(fā)生器的基本輸入輸出原理（來(lái)源：Arveni）

壓電材料類型

“壓電材料”是指當(dāng)施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)能夠產(chǎn)生電荷的一類固體材料。一般來(lái)說(shuō)，它們分為無(wú)機(jī)或有機(jī)兩類。壓電陶瓷和壓電單晶是目前最常用的無(wú)機(jī)壓電材料。有機(jī)壓電材料主要包括聚偏氟乙烯等聚合物。某些有機(jī)納米結(jié)構(gòu)，如納米線、納米管和納米顆粒也被觀察到具有壓電活性。

除了上述兩種材料分類之外，具有高壓電常數(shù)的納米結(jié)構(gòu)也被用于納米級(jí)的能量收集。對(duì)于大規(guī)模的能量收集，壓電器件的材料多數(shù)是壓電陶瓷，而壓電聚合物由于重量輕、體積小而得到快速發(fā)展。此外，壓電單晶比壓電陶瓷具有更小的壓電常數(shù)和介電常數(shù)。相比之下，盡管壓電聚合物具有低密度和低阻抗，但其應(yīng)變常數(shù)和壓電常數(shù)較小。與上述兩種材料相比，壓電陶瓷具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 更大的壓電常數(shù)和介電常數(shù)。

2. 更高的形狀延展性。

3. 材料成分容易調(diào)整，擴(kuò)大了材料的應(yīng)用前景。

性能增強(qiáng)

一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)。目前已經(jīng)開發(fā)了許多制造工藝來(lái)將復(fù)雜的壓電材料結(jié)合到能量收集器中，從而不斷提高其輸出性能。振動(dòng)能量收集器是利用了壓電材料在施加外部振動(dòng)和機(jī)械刺激時(shí)產(chǎn)生電場(chǎng)的能力。另一方面，環(huán)境振動(dòng)源的加速度幅值和頻率范圍通常低于壓電能量收集器的工作模式。此外，由于輸入電源、工作帶寬和輸出性能的限制，大多數(shù)基于振動(dòng)的壓電能量收集器系統(tǒng)輸出的功率都非常小。因此，提高性能和擴(kuò)大工作帶寬已成為兩個(gè)關(guān)鍵且緊迫的研究重點(diǎn)。先進(jìn)的方法對(duì)于優(yōu)化其性能和擴(kuò)大有效的工作頻率范圍是必要的。

結(jié)語(yǔ)

總體而言，隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的快速發(fā)展，壓電能量收集器為智能家居、智慧城市、智慧健康、智能交通和智慧農(nóng)業(yè)等應(yīng)用的實(shí)施和推進(jìn)帶來(lái)了許多好處和前景。壓電能量收集器是開發(fā)新型自導(dǎo)向自供電終端節(jié)點(diǎn)的重要且有前景的解決方案，這種終端節(jié)點(diǎn)能夠在不需要電池充電的情況下運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間。此外，它還可以通過(guò)大大延遲電池更換時(shí)間來(lái)降低成本，這些能量收集技術(shù)可以提高所有物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的韌性。