臺灣博碩士論文加值系統

由於日常環境中存在許多機械能，而振動是機械能最常表現的方式。在科技的日新月異下，微機電系統（MEMS）這種技術整合與跨領域的應用，使得我們能利用壓電材料把振動轉換為電能，使其成為一個小型的壓電式發電裝置。
本論文是以壓電原理與懸臂樑的力學為基礎，針對單層壓電樑以懸臂方式夾持，並施以一固定變形量的外力，來探討振動對壓電樑的發電特性。本論文先以理論分析並建立一套完整的定壓式壓電發電裝置的機電轉換等效模型，再以實驗驗證其模型的正確性。實驗結果顯示，在定壓式壓電方式下壓電樑發電效果將可不受振動放大比的影響，也就是壓電發電系統將無需侷限在共振頻率，才會有最佳的發電效果。
而本論文也規劃了一套定壓式壓電系統優化實驗，壓電樑在相同體積、面積、與長度下，使其壓電結構成本固定，嘗試有效的提高其發電效果，實驗以不同幾何形狀的壓電樑來做測試，在固定振幅5mm下，分別做振動頻率1~16Hz的測試，結果顯示發電功率會隨振動頻率呈正比關係；而不同幾何形狀的壓電樑會隨上下底的比差異越大，發電效果越好，實驗中在16Hz發電功率最大可差至1.78倍，這對微機電系統（MEMS）需掌握運作空間與結構成本觀念下，有相當的貢獻。此外本論文還測試壓電樑並聯下的效果，使其增加發電功率，以期能有實際應用價值；在振幅部分也以ANSYS模擬不同振幅，其結果顯示增加振動幅度將可提高開路電壓值。

Mechanical energy exists all over the place in our living, and vibration is the most common way of mechanical performance. Micro-electromechanical systems, the application which integrate techniques and combine different field of research, make it possible to convert vibration into electrical energy by using piezoelectric materials; moreover, it become a small piezoelectric power generator.
The thesis set up an equivalent circuit model based on the principle of piezoelectric and cantilever mechanics for experimenting the model’s exactness; consequently, model shows that resonant frequency has no effect on generate electricity when amplitude was fixed.
The thesis attempts to change the shape of unimorph for enhancing its power generation. By using different sharp of unimorph, the experiment demonstrate that power generation have direct ratio with frequency at amplitude of 5mm. Moreover, different shapes of the unimorph at frequency of 16Hz have different power output; the disparity among power output might up to 1.78 times.

論文審定書 i
謝誌 ii
中文摘要 iii
Abstract iv
目錄 v
表目錄 viii
圖目錄 ix
第一章 序論 1
1 . 1 前言 1
1 . 2 研究背景 2
1.2.1環境能源的種類 2
1.2.2動能轉電能的方式 2
1.2.3壓電換能器之分析 3
1.2.4壓電換能器之應用 3
1 . 3 研究動機與目的 4
1 . 4 本文架構 5
第二章 壓電原理與其它基礎理論 7
2 . 1 壓電原理 7
2.1.1 壓電材料的種類與應用 7
2.1.2 PVDF 8
2.1.3 壓電方程式 8
2 . 2 懸臂樑力學分析 10
2.2.1 懸臂樑結構之自然頻率 11
2.2.2 懸臂樑結構之振動分析 12
2.2.3 懸臂樑之撓度計算 13
2 . 3 壓電換能器的操作模式與結構 14
2.3.1 壓電操作模式 14
2.3.2 壓電換能器的結構 14
2 . 4 克希荷夫電壓定律（Kirchhoff’s voltage law） 15
第三章 壓電發電模型分析 23
3 . 1 壓電等效動態模型 23
3.1.1壓電元件等效動態模型推導 23
3.1.2壓電元件之等效電路與發電能力 25
3.1.3壓電元件之等效電路模型建立 25
3 . 2 定彎曲撓度下壓電樑之發電輸出 27
3 . 3 ANSYS模擬壓電片自然振動頻率與彎曲撓度 28
3.3.1 ANSYS簡介 28
3.3.2 ANSYS分析方式與結果 29
第四章 實驗模型與結果討論 43
4 . 1 實驗架設與量測 43
4.1.1實驗方法與架設 43
4 . 2 實驗儀器 43
4 . 3 實驗之壓電樑電壓與功率量測 44
4.3.1 測試試片之製作 44
4.3.2 測試試片之開路電壓量測 45
4.3.3 測試試片之電功率量測 46
4.3.4 測試試片並聯之電功率量測 46
4 . 4 實驗與理論的討論 47
4.4.1 總受力分析 47
4.4.2 實驗與理論值比較 47
4 . 5 振幅影響之探討 47
4.5.1 模擬與理論的應力曲線 48
4.5.2 模擬與理論的開路電壓 48
4.5.3 模擬與理論的相關程度 48
4.5.4 模擬振幅對發電的影響結果 49
第五章 結論與建議 81
5 . 1 結論 81
5 . 2 建議 82
參考文獻 83
附錄A 結構量測之開路電壓圖 85
附錄B 結構量測之電功率圖與表 113
附錄C 結構量測並聯之電功率圖與表 168

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