引言

　　在國(guó)家和社會(huì)，近年來的工作重心之一，便是節(jié)能減排了。如何合理利用資源、有效保護(hù)資源，是每一個(gè)人義不容辭的社會(huì)責(zé)任。而當(dāng)前節(jié)能減排的重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)技術(shù)節(jié)能，由于壓電材料具有優(yōu)良的特性，國(guó)內(nèi)外對(duì)壓電材料的研究較多。因?qū)弘姲l(fā)電技術(shù)的研究較少，故壓電發(fā)電技術(shù)必將成為未來的發(fā)展趨勢(shì)，然而壓電材料具有產(chǎn)生電量少，且不連續(xù)等難題，本研究為解決此難題，把壓電材料發(fā)電技術(shù)與無線傳感器結(jié)合，監(jiān)測(cè)壓電材料振動(dòng)以使其振動(dòng)能量的儲(chǔ)存達(dá)到最大化，實(shí)現(xiàn)發(fā)電，為節(jié)能減排作出重大的貢獻(xiàn)。

　　1 整體方案設(shè)計(jì)

　　1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)

　　首先設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體工作流程圖，以便為設(shè)計(jì)思路提供理論上的依據(jù)，以保障系統(tǒng)高效、有序地實(shí)施。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

　　1.2 系統(tǒng)發(fā)電的工作原理

　　充分利用日常生活中普遍存在的運(yùn)動(dòng)壓力和空氣壓力雙作用于壓電材料PVDF,由其壓電效應(yīng)便可快捷地產(chǎn)生電荷。一方面通過運(yùn)動(dòng)壓力擠壓壓電材料PVDF，進(jìn)行一次發(fā)電；另一方面利用活塞連桿裝置壓縮空氣，作用于PVDF,產(chǎn)生的壓力進(jìn)行二次發(fā)電，大大地提高壓電材料的發(fā)電效率。然后通過超低輸入升壓電路，可對(duì)外輸出較高電壓，再通過儲(chǔ)能電路，形成穩(wěn)定的電壓對(duì)可充電電池充電，最后由密排電池組集中對(duì)外供電。

　　1.3 系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　在公路路面下鋪設(shè)一段壓電材料聚偏氟乙烯（PVDF）或是直接的壓電材料路面，壓電材料通過防壓彈簧進(jìn)行復(fù)位與保護(hù)。由于壓電材料具有很好的絕緣性，故在其表面鍍一層金屬層，然后接引線，便于將系統(tǒng)產(chǎn)生的電荷導(dǎo)出。此外，相鄰的四塊壓電應(yīng)變片通過無線傳感器，進(jìn)行高效、迅速的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，便于電能的實(shí)時(shí)收集。壓電材料膜片下接活塞壓縮缸，即為空氣壓縮系統(tǒng)部分；壓縮缸下面安裝有薄膜氣缸，壓縮空氣進(jìn)入薄膜氣缸作用于壓電材料，此為二次發(fā)電部分。系統(tǒng)主體部分的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主體部分結(jié)構(gòu)圖

　　1.4 壓電材料產(chǎn)能機(jī)理

　　壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。所謂正壓電效應(yīng)，是指某些物質(zhì)沿一個(gè)方向受到外力作用時(shí)，在其表面上便產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，表面的電荷隨之消失。反之，如果將這種物質(zhì)置于電場(chǎng)中，在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)外電場(chǎng)去掉后，變形也隨之消失，這種現(xiàn)象稱之為逆壓電效應(yīng)。準(zhǔn)確地說，壓電發(fā)電技術(shù)是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，?shí)現(xiàn)發(fā)電的目的。

　　實(shí)際應(yīng)用時(shí)為了增大輸出值，壓電材料往往需要用兩個(gè)或兩個(gè)以上串聯(lián)或并聯(lián)使用。并聯(lián)時(shí)，輸出電荷量大、電容大、時(shí)間常數(shù)大，適宜緩變信號(hào)作用和以電荷輸出的場(chǎng)合；串聯(lián)時(shí)，輸出電壓大、電容小、時(shí)間常數(shù)小，適宜高頻信號(hào)作用和以電壓輸出的場(chǎng)合。

　　1.5 高效壓電材料PVDF結(jié)構(gòu)及其電性能

　　PVDF是目前壓電性能最優(yōu)的壓電材料之一，作為一種新型薄膜狀換能材料具有質(zhì)地輕軟、可繞性好、壓電特性好等特點(diǎn)。與目前常用的無機(jī)物壓電材料（如石英、壓電陶瓷類）相比，它還具有聲阻抗小、頻率響應(yīng)寬、介電常數(shù)小、耐沖擊性強(qiáng)，便于加工成任意形狀等優(yōu)點(diǎn)。

　　本設(shè)計(jì)利用PVDF的可延展性和壓電特性，建立壓電發(fā)電公路。

　　2 系統(tǒng)發(fā)電量分析

　　2.1 壓電材料產(chǎn)生電能的等效模型

　　為了詳細(xì)地了解壓電材料產(chǎn)生電荷的機(jī)理，本設(shè)計(jì)采用了有限元分析法，截取了一小塊壓電材料的一個(gè)截面進(jìn)行受力及電荷產(chǎn)生的分析。圖3為一塊壓電材料的一個(gè)截面圖。

　　壓電元件在壓力作用下，會(huì)產(chǎn)生形變。由于壓電效應(yīng)，壓電材料上下表面產(chǎn)生電荷，此時(shí)，壓電元件相當(dāng)于一個(gè)電容，電容在兩極產(chǎn)生電荷后就儲(chǔ)存能量。

　　從電學(xué)角度來看，壓電元件可以簡(jiǎn)化為一個(gè)正弦電流源iP（t），與內(nèi)在的電極電容CP并聯(lián)。假設(shè)電流源與電極電容恒定，負(fù)載可調(diào)，由戴維南等效定理可得該電路的阻抗為：

　　可求出電路輸出電壓：

　　輸出功率：

　　當(dāng)R=1/（CP）時(shí)，即外接負(fù)載電阻和壓電元件等效阻抗相匹配，負(fù)載吸收的能量最大。

　　2.2 壓電材料施力模式及電能計(jì)算

　　在實(shí)際使用壓電材料時(shí)，通常采用如下兩種施加力的方式：31模式和33模式。31模式表示坐標(biāo)3方向施加應(yīng)用，坐標(biāo)1輸出能量；33模式表示坐標(biāo)3施加應(yīng)用，坐標(biāo)3輸出能量，如圖4所示。由于使用模式33時(shí)可以獲得更大的輸出功率，因此本設(shè)計(jì)采用33模式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

　　在外界壓力作用下的壓電材料產(chǎn)生的電荷和電壓為：

　　將壓電材料等效為一個(gè)電容，其儲(chǔ)能公式是：

　　式中：d33為壓電材料的壓電常數(shù)；F為作用在壓電材料表面的應(yīng)力；Afp是作用力施加的區(qū)域；l,w和t分別是壓電材料的長(zhǎng)、寬和厚度；r為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；0為真空介電常數(shù)。

　　3 系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)

　　3.1 無線傳感控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用的方案是，將相鄰的四片壓電材料通過一個(gè)無線傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)高效、迅速、靈敏且最大限度地收集壓電材料所產(chǎn)生的電能。系統(tǒng)無線傳感控制系統(tǒng)與電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理圖如圖5所示。

　　無線傳感控制系統(tǒng)的工作原理：預(yù)先設(shè)定無線傳感器的額定工作頻率及轉(zhuǎn)換的額定工作電壓，只有相鄰的壓電應(yīng)變片達(dá)到預(yù)設(shè)的工作頻率，其應(yīng)變才能被無線傳感器檢測(cè)到，其產(chǎn)生的電能才可以被無線RF傳輸電路傳遞給電網(wǎng)集成電路集中收集。

　　3.2 RF遠(yuǎn)程傳輸電路的設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)主要應(yīng)用于公路發(fā)電系統(tǒng)，也有可能安裝在環(huán)境較為惡劣的地區(qū)，故采用了傳輸效率高、傳輸響應(yīng)頻率嚴(yán)格的RF遠(yuǎn)程傳輸電路來提高系統(tǒng)能量的收集效率。

　　RF發(fā)射電路由發(fā)射頭電路和微處理器兩部分組成，其工作原理是當(dāng)微處理器和發(fā)射頭電路同時(shí)上電后，微處理器串行輸出口TXD發(fā)送一組數(shù)據(jù)，通過發(fā)射頭電路以電磁波形式發(fā)送到空中。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間要小于10ms,因?yàn)閴弘姲l(fā)電裝置所提供的電壓在控制電路的調(diào)解下每次只能持續(xù)1s,故所設(shè)計(jì)的發(fā)射電路要適應(yīng)壓電發(fā)電裝置這個(gè)特性。

　　在系統(tǒng)中，利用RF發(fā)射電路將系統(tǒng)電網(wǎng)收集的電能集中傳輸給升壓及儲(chǔ)能電路，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程傳輸和遠(yuǎn)程控制。在一些特定的區(qū)域應(yīng)用時(shí)可以大大減少安裝、運(yùn)輸及管理成本等。

　　3.3 升壓電路的設(shè)計(jì)

　　一般的升壓電路，當(dāng)電源電壓低于DC/DC驅(qū)動(dòng)電壓，DC/DC根本無法啟動(dòng)及進(jìn)行任何升壓動(dòng)作。因此首先要解決的就是升壓電路的啟動(dòng)問題。但是系統(tǒng)增加啟動(dòng)電路必然使整個(gè)電路復(fù)雜化，且電路的穩(wěn)定性降低。本設(shè)計(jì)需要的是一種不加啟動(dòng)電路的升壓電路。

　　采用S882Z系列充電泵就能使上述問題迎刃而解。S882Z系列按放電開始電壓大小有4個(gè)品種：分別為1.8V,2.0V,2.2V及2.4V,在型號(hào)后綴中用18,20,22及24來區(qū)分。例如，S882Z20是放電開始電壓為2.0V的充電泵。

　　該系列的主要特點(diǎn)如下：輸入電壓VIN范圍在Ta=-30~+60!時(shí)為0.3~3.0V;Ta=-40~+85!時(shí)為0.35~3.0V;工作時(shí)的消耗電流在VIN=0.3V時(shí)為0.5mA（最大值）；有關(guān)閉控制，在關(guān)閉狀態(tài)或稱休眠狀態(tài)時(shí)耗電小于0.6A（VIN=0.3V）；關(guān)閉控制電壓為放電開始電壓降0.1V（小于等于3.0V）；內(nèi)部振蕩器頻率為350kHz;外部?jī)H接一個(gè)啟動(dòng)電容（CCPOUT）；小尺寸SOT235封裝。

　　3.4 儲(chǔ)能電路設(shè)計(jì)

　　壓電元件產(chǎn)生的電荷是瞬間和交替的，是以不規(guī)則的隨機(jī)突發(fā)形式提供能量，而且在電能提取過程中具有阻尼效應(yīng)。當(dāng)振動(dòng)能傳遞到壓電材料時(shí)，由于壓電材料內(nèi)部電阻太大（相當(dāng)于斷路）或電阻太小（相當(dāng)于短路）時(shí)，產(chǎn)生的電能未消失，會(huì)再次轉(zhuǎn)化為振動(dòng)能；重復(fù)這種過程，振動(dòng)衰減會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。所積聚起來的電荷阻礙電荷的進(jìn)一步生成，因此必須先在一個(gè)超級(jí)電容器中積累足夠的能量，然后通過轉(zhuǎn)換電路將能量?jī)?chǔ)存于電池中。

　　本系統(tǒng)采用MAX1811作為主控芯片設(shè)計(jì)電路對(duì)可充電電池進(jìn)行電能收集。MAX1811體積小，尺寸為5.00mm?6.20mm?1.35mm,它是一種高集成度電池充電器，所需外圍元件很少，易于控制電路體積，而且，它可以用于鋰電池充電。

　　MAX1811有兩個(gè)設(shè)置端，其中SELV設(shè)置為高時(shí)，對(duì)電池的最終充電電壓為4.2V;設(shè)置為低時(shí)，最終充電電壓為4.1V,可適應(yīng)不同最終充電電壓的鋰電池，MAX1811最終充電電壓的精度可達(dá)到0.5%,能安全地對(duì)電池進(jìn)行充電。另一個(gè)設(shè)置端是SELI,開關(guān)K閉合設(shè)置成高時(shí)，充電電流為500mA,適用于高功率的端口（4.75~5.25V,500mA）；開關(guān)斷開為低電平時(shí)，充電電流為100mA,適用于低功率端口（4.40~5.25V,100mA），CHG一端在充電期間為低電平，可連接一只發(fā)光二極管作充電指示。

　　壓電材料振動(dòng)得到的交流電電壓大約為1V,通過升壓電路后電容電壓達(dá)到MAX1811充電控制端輸入電壓要求，電路開始工作。MAX1811的各項(xiàng)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

　　4 發(fā)電系統(tǒng)測(cè)試流程設(shè)計(jì)

　　壓電發(fā)電裝置及試驗(yàn)系統(tǒng)從主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)到軟件編程組建了一套完整的壓電材料發(fā)電能力的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，這為接下來要進(jìn)行的對(duì)壓電材料發(fā)電性能參數(shù)的測(cè)定提供了平臺(tái)，并且為研究外界激勵(lì)的頻率、振幅對(duì)壓電材料發(fā)電產(chǎn)生電壓、電荷量大小的影響提供了分析測(cè)試基礎(chǔ)。

　　測(cè)試系統(tǒng)的工作原理為：由功率放大器和高能激振器組成的信號(hào)發(fā)生器輸出一個(gè)頻率及振幅可調(diào)的正弦激勵(lì)，為以壓電材料為主體的結(jié)構(gòu)提供激勵(lì)源。經(jīng)霍爾位移傳感器和電荷放大器分別檢測(cè)壓電材料變形量和壓電材料變形所產(chǎn)生的電荷量，并用圖6測(cè)試系統(tǒng)工作框圖電阻分壓的方法把壓電材料產(chǎn)生的輸出電壓調(diào)整到采集卡允許的輸入電壓范圍。然后使用數(shù)據(jù)采集卡對(duì)三路信號(hào)進(jìn)行采集，最后利用采集軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理等。

　　5 結(jié)語

　　設(shè)計(jì)制作了簡(jiǎn)易的壓電發(fā)電裝置樣機(jī)，對(duì)影響壓電振子發(fā)電能力的因素進(jìn)行了試驗(yàn)分析，同時(shí)測(cè)試了壓電發(fā)電裝置的發(fā)電性能和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力。

　　由于壓電發(fā)電具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此在壓電發(fā)電領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

　　從壓電能量在點(diǎn)火裝置、傳感器和光電測(cè)試儀等設(shè)備中的應(yīng)用，到壓電能量的大量捕獲、存儲(chǔ)，甚至利用壓電技術(shù)發(fā)電，這是壓電能源發(fā)展的必然趨勢(shì)。根據(jù)實(shí)際振動(dòng)環(huán)境和條件，選擇更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)配置、壓電振子材料和幾何參數(shù)，以及高效的能量轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)電路是提高振動(dòng)能量捕獲量和捕獲效率的必要途徑，也是壓電發(fā)電技術(shù)要發(fā)展成熟必須要解決的難題。