基于壓力發(fā)電的電源系統(tǒng)研究　

作者 / 劉艷1,2 賈宏偉1,2 林子翔1,2 1. 廣東省電力工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)校(廣東 廣州 510000) 2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司教育培訓(xùn)評(píng)價(jià)中心(廣東 廣州 510000)

劉艷(1986-)，女，碩士，講師，研究方向：電氣自動(dòng)化;賈宏偉，男，碩士，研究方向：電能的變換與控制;林子翔，男，碩士，講師，工程師，研究方向：輸配電線路施工與運(yùn)行。

摘要：目前，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)可以通過(guò)越來(lái)越低的能量運(yùn)行，而環(huán)境中充斥著各種各樣的沒有被利用的或者被浪費(fèi)的能量，例如太陽(yáng)能、風(fēng)能、熱能、振動(dòng)能等。收集環(huán)境中的能源。將其轉(zhuǎn)換成人們可以使用的電能,達(dá)到能量回收利用的目的。但收集來(lái)的能量由于受制于環(huán)境的影響，一般無(wú)法穩(wěn)定和及時(shí)為負(fù)載供電。設(shè)計(jì)了一種基于壓力發(fā)電的電源系統(tǒng)，將壓力轉(zhuǎn)化為電能并采集和存儲(chǔ)起來(lái)，可以作為遠(yuǎn)程微機(jī)電系統(tǒng)的電源。

0 引言

　　世界各國(guó)對(duì)能源需求不斷增長(zhǎng)以及對(duì)環(huán)境保護(hù)日益加強(qiáng)，都在在大力發(fā)展可再生能源。壓電發(fā)電是一項(xiàng)最近幾十年興起的高新技術(shù)，最近十幾年更是在全世界被廣泛研究。壓電裝置在外力交變作用下產(chǎn)生電荷，將這些電荷收集起來(lái)儲(chǔ)存在電容或電池中，就可為后級(jí)電子元器件和系統(tǒng)供電。壓電能量收集裝置的優(yōu)點(diǎn)是其體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)電磁干擾,易加工制作，而且其功率密度可達(dá)到200 μW/cm3，在過(guò)去壓電材料常被應(yīng)用在傳感器與執(zhí)行器上，較少被拿來(lái)作為提供電能的裝置，然而隨著壓電材料壓電性能的提高及高集成度，低能耗電力電子器件的使用，壓電式發(fā)電技術(shù)因此也成為研究的熱點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的電源將利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，將壓力轉(zhuǎn)化為電能，再將壓電材料產(chǎn)生的電能通過(guò)能量采集電路進(jìn)行采集并存儲(chǔ)起來(lái)。壓電材料本文選用Cymbal壓電振子，能量采集電路的核心芯片是基于ADI公司的超低功耗能量采集器PMU ADP5091，能量的存儲(chǔ)采用的是超級(jí)電容。

2 壓電材料

　　壓電材料的選擇決定了壓電發(fā)電系統(tǒng)的能量密度，對(duì)壓電振子發(fā)電性能的影響至關(guān)重要。目前，已有許多種壓電材料應(yīng)用于壓電發(fā)電裝置中，包括壓電單晶體、壓電多晶陶瓷、壓電陶瓷、壓電聚合物、壓電纖維、壓電薄膜、電致伸縮聚合物等。常用的壓電陶瓷(鋯鈦酸鉛)，又稱 PZT。壓電發(fā)電系統(tǒng)常見的結(jié)構(gòu)分為懸臂梁型壓電振子、圓盤式壓電振子和疊層式壓電振子。本文采用的圓盤式壓電振子的Cymbal 鈸型壓電振子，其他常見的結(jié)構(gòu)還有圓柱形壓電振子和鼓型壓電振子等;圖2 為 Cymbal 壓電振子的結(jié)構(gòu)示意圖。上下 2 片鈸形金屬帽中間為用導(dǎo)電膠粘合的壓電片，Φ為 Cymbal 換能器的直徑，Φt為內(nèi)腔頂部直徑，Φb為內(nèi)腔底部直徑，tp為壓電陶瓷的厚度，tm為金屬帽的厚度，tc為內(nèi)腔高度。由于壓電晶體的彎曲變形, 壓電層的上、下電極之間將產(chǎn)生變化的電勢(shì)差，通過(guò)能量存儲(chǔ)電路進(jìn)而為負(fù)載供能。

　　壓電振子存在機(jī)械邊界條件和電學(xué)邊界條件，機(jī)械邊界條件包括機(jī)械自由和機(jī)械夾持;電學(xué)邊界條件包括電學(xué)開路和電學(xué)短路。兩種不同的機(jī)械邊界條件和兩種不同電學(xué)邊界條件組合在一起，對(duì)應(yīng)于壓電振子的4種不同的邊界條件。對(duì)于機(jī)械自由，電學(xué)短路邊界條件下的正負(fù)壓電效應(yīng)的壓電方程為：

(1)

　　式中：D為電位移，d為壓電常數(shù)，d^t為d的轉(zhuǎn)置，S為應(yīng)變，s^E為彈性柔順常數(shù)，T為應(yīng)力，E為電場(chǎng)，ε為介電常數(shù)。

　　由于壓電振動(dòng)能量采集器件俘獲的電能較小，單層壓電晶片結(jié)構(gòu)還達(dá)不到當(dāng)前低耗能微電子器件的能量需求。為了提高壓電振子發(fā)電的發(fā)電量，目前用于壓電振動(dòng)能量采集的壓電振子的結(jié)構(gòu)主要有基于懸梁臂結(jié)構(gòu)的單、雙壓電晶片。串聯(lián)連接方式總的輸出電壓為單片壓電陶瓷的兩倍，總的輸出電量為單層壓電陶瓷產(chǎn)生電量的兩倍。并聯(lián)連接方式總的輸出電壓與單片壓電陶瓷的相同，而總輸出電量為單層壓電陶瓷產(chǎn)生的電量的兩倍。單個(gè)Cymbal壓電發(fā)電換能器的輸出特性是高電壓，低電流，高輸出阻抗的電壓源特性，增加了后續(xù)整流，降壓和存儲(chǔ)電路的匹配難度。在輸出功率一致的情況下，并聯(lián)連接的多個(gè)Cymbal壓電振子有益于增大換能器系統(tǒng)的輸出電流，降低換能器系統(tǒng)的輸出阻抗，減小了與后續(xù)能量存儲(chǔ)電路的匹配難度。

　　本文將多個(gè)Cymbal壓電振子鑲嵌在薄圓柱形箱體里，如圖3所示，上下相鄰Cymbal 壓電振子的金屬端帽短接在一起，并且放置成極化方向相反的方式，通過(guò)導(dǎo)線連接即可實(shí)現(xiàn)多個(gè)壓電振子并聯(lián)。圓柱箱體為整個(gè)壓電振子堆提供一定的恒定的預(yù)應(yīng)力，保證壓電振子堆振動(dòng)時(shí)始終處于壓縮狀態(tài)。圓柱箱體上下底面直徑應(yīng)略大于Cymbal的直徑和振子徑向振動(dòng)的位移以便于保證圓柱箱體不影響Cymbal 振子的徑向振動(dòng)。圓柱箱體結(jié)構(gòu)為整個(gè)壓電振子堆提供支架，可直接將圓柱底面貼于振動(dòng)源的接觸面，也可以通過(guò)其他機(jī)械結(jié)構(gòu)擴(kuò)大獲得壓力源的面積。

3 能量采集和存儲(chǔ)電路

　　多個(gè) Cymbal壓電振子并聯(lián)連接后可以產(chǎn)生較大的輸出電流，但此時(shí)的電壓為不穩(wěn)定的交流信號(hào)，不便于存儲(chǔ)。需要對(duì)其進(jìn)行整流和濾波。整流后的電流被送入到以ADP5091為核心芯片的能量采集和存儲(chǔ)電路里。ADP5091是一款智能集成式能量采集nA級(jí)管理解決方案，可轉(zhuǎn)換來(lái)自光伏電池或熱電發(fā)生器(TEG)的直流電源。該器件可對(duì)儲(chǔ)能元件(如可充電鋰離子電池、薄膜電池、超級(jí)電容或傳統(tǒng)電容)進(jìn)行充電，并對(duì)小型電子設(shè)備和無(wú)電池系統(tǒng)上電。ADP5091/92能對(duì)采集的有限能量(16 μW到600 mW范圍)實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換，工作損耗為亞μW級(jí)別。利用內(nèi)部冷啟動(dòng)電路，調(diào)節(jié)器可在低至380 mV的輸入電壓下啟動(dòng)。冷啟動(dòng)后，調(diào)節(jié)器便可在80 mV至3.3 V的輸入電壓范圍內(nèi)正常工作。額外的150 mA穩(wěn)壓輸出可通過(guò)外部電阻分壓器或VID引腳編程，可編程電壓監(jiān)控器(2 V至5.2 V)支持對(duì)儲(chǔ)能元件進(jìn)行充電，可選BACK_UP電源路徑管理。常用的收集壓電振子產(chǎn)生的電量的方法包括利用普通電容快速充放電效應(yīng)收集并且儲(chǔ)存產(chǎn)生的電能和利用可充電電池收集并儲(chǔ)存能量。本文建議采用超級(jí)電容。超級(jí)電容與普通電容和普通電池比較，容量大很多，可達(dá)到法拉級(jí)甚至數(shù)萬(wàn)法拉級(jí)，而且循環(huán)使用壽命更長(zhǎng)，可重復(fù)使用達(dá)幾十萬(wàn)次,這些都是普通電容和可充電電池?zé)o法比擬的。而且超級(jí)電容的可靠性更高，對(duì)電路的要求不高，其兩極電壓可以超過(guò)額定電壓而不會(huì)被擊穿，不易損壞，超級(jí)電容內(nèi)阻很小，充放電效率高。本文采用的是多并苯紐扣電容PAS409HR用作采集儲(chǔ)能器。具體電路如圖4所示。AD5091的SYS腳為接向系統(tǒng)負(fù)載提供的輸出電源。在此引腳和PGND之間至少連接一個(gè)4.7μF電容，并盡可能靠近放置。BACK_UP為備用原電池的可選輸入電源。

4 結(jié)論

　　壓力發(fā)電的已經(jīng)在全世界被廣泛研究，美國(guó)、日本、韓國(guó)以及歐洲一些國(guó)家的研究人員已經(jīng)取得了很多專利、理論研究和產(chǎn)品等研究成果。本文介紹了一種基于Cymbal型壓電振子并聯(lián)發(fā)電，以ADP5091為核心的能量采集電路對(duì)壓電振子的能量進(jìn)行采集并存儲(chǔ)在超級(jí)電容的電源系統(tǒng)，可以作為遠(yuǎn)程微機(jī)電系統(tǒng)的電源?；蛟诖穗娫聪到y(tǒng)基礎(chǔ)上再進(jìn)行一定的擴(kuò)展，例如在超級(jí)電容后接入容量較大的可充電電池，提高系統(tǒng)的能量收集能力，多個(gè)此電源系統(tǒng)并聯(lián)就可以為更大的負(fù)載供電等。

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　　[8]ADI公司.ADP50915092 datasheet [EB/OL].

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第4期第61頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。