一種基於介電彈性體的環境振動能量採集控制系統的製作方法
2023-09-20 11:26:35 1
本發明屬於能量源技術領域，尤其涉及一種基於介電彈性體的環境振動能量採集控制系統。
背景技術：
在面對能源緊缺、全球氣候變暖等嚴重問題的今天，儘管利用微型化、集成化和優化網絡通信協議等方法可以有效地降低功耗，尋找和利用清潔、可再生能源是各國都在重點解決的重大問題之一。新型環境能量採集技術是將自然界廣泛存在的各種環境能量，包括太陽能、風能、熱能、振動能、海洋能，以及其他能量如人體動能、生化能等，利用各種新型環能材料、結構或系統，將其轉化為電能並存儲和利用的一種技術。作為環境中普遍存在的一種能量形式，機械振動是我們比較關心的能量源，這是因為機械振動來源豐富，足以滿足應用需求，通過微機電系統(MEMS)可以方便的將振動能轉化為所需電能。根據發電原理不同，振動發電機可以分為靜電式、電磁式與壓電式。壓電式振動能量採集方法因為其機械轉換係數高、不需要外接電源、適用MEMS技術，成為振動能量採集領域研究的重點之一。壓電材料及其結構形式是壓電能量收集裝置的核心，對能量收集能力大小起著至關重要的作用，其性能參數直接影響產生電量的大小。目前常用的材料是壓電陶瓷，壓電陶瓷發電對周圍環境要求較高，激振頻率一般在共振點頻率附近，非常容易碎且發電能量密度較低，不利於實際應用。壓電陶瓷有一個諧振頻率(這是其材料性質所固有的特性)，在負載不變的情況下，存在一個最優的頻率點，讓激勵信號在壓電陶瓷的諧振頻率下，效率較高。如果作為採集人體動能的裝置，比如走路時，採集鞋底的能量，或者膝蓋彎曲的能量，人體的做這些動作所產生的激振頻率不一樣，有很多能量就無法進行有效的採集。由於壓電振子在受到外部激勵後產生的是高電壓、低電流,而且每次變形產生的電荷量較少。目前針對壓電陶瓷的這個問題，現在有通過設計儲存電路的方式來解決，比如通過將壓電振子所採集到的能量通過整流環節用電容存儲起來，當電容的端電壓達到一個門限值的時候，再讓後接的恆壓電路進行工作。從材料本身來說，在已有的報導中，壓電陶瓷的最大能量收集密度約為1.0mJ/g，材料變形則約為1％；而在介電高彈聚合物則可在100％的變形下實現0.1-400mJ/g的能量收集密度。從這個數據可以看出，由於壓電陶瓷的變形量很小，幾乎可以說沒有變形，因此只能轉換振動能量，不能用於需要需要一定形變的場合；此外壓電陶瓷的能量收集密度要遠遠低於介電高彈性聚合物，即使儲存電路再怎麼優化，從能量守恆的角度來說，其轉換效率方面可以優化的地方很有限。而介電彈性體在本身的材料變形很大，這點就使得它可以採集的能量形式要更多；對於介電彈性體所需要的偏置電源，可以用駐極體來替代，這可以使得基於介電彈性體的能量收集器的體積更小，更便於攜帶，從而實現對人體動能的採集。
綜上所述，目前的壓電能量收集裝置採用壓電陶瓷存在對周圍環境要求較高，激振頻率在共振點頻率附近，非常容易碎且發電能量密度較低，不利於實際應用。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種基於介電彈性體的環境振動能量採集控制系統，旨在解決目前的壓電能量收集裝置採用壓電陶瓷存在對周圍環境要求較高，激振頻率在共振點頻率附近，非常容易碎且發電能量密度較低，不利於實際應用的問題。
本發明是這樣實現的，一種基於介電彈性體的環境振動能量採集控制系統，所述基於介電彈性體的環境振動能量採集控制系統包括：
偏置電源，用於將機械能轉化為電能，對介電彈性體充電Cg進行預充電；
儲能電容，用於將介電彈性體升高的電能儲存，當介電彈性體再次被外加外力的時候，將能量輸送到後面的DC-DC斬波電路；
DC-DC斬波電路，與偏置電源和儲能電容並聯；即直流-直流變流電路，用於調節儲能電路發過來的直流電；
微控制器，與DC-DC斬波電路串聯，用於取樣DC-DC斬波電路輸出的電能，把採集到的電能數據傳輸到上位機；
監控軟體，與微控制器導線連接，用於通過nodejs所搭建的後臺伺服器程序，將傳輸過來的數據保存在資料庫，並傳輸到前端頁面進行用canvas的方式進行圖形化顯示。
進一步，所述監控軟體設置有：
nodejs作為後臺程序編程環境；
資料庫用mongodb，mongoose實現對資料庫的操作，連接nodejs和mongodb。
本發明的另一目的在於提供一種所述的基於介電彈性體的環境振動能量採集控制系統的環境振動能量採集控制方法，所述環境振動能量採集控制方法包括：
當堆棧式介電彈性體換能元件Cg開始被壓縮時，微動開關S2被釋放，打回至常閉端負載一側；
當堆棧式介電彈性體換能元件Cg被壓縮到一定程度時，微動開關S1閉合，能量收集器Cg被高壓電源預充電。之後，堆棧式介電彈性體元件開始恢復形狀，其與高壓電源斷開；
當堆棧式介電彈性體換能元件Cg恢復為初始形狀時，微動開關S2被觸發，打向堆棧式介電彈性體換能元件Cg一端，能量收集器將其電能存入儲能電容Cs中；
當下一次針對能量收集器的擠壓剛開始時，儲能電容Cs與DC-DC斬波電路接通，變流後再將電能送到負載上。
本發明提供的基於介電彈性體的環境振動能量採集控制系統，介電型電活性聚合物(Dielectric Electro Active Polymer，DEAP)作為一種新型智能材料，因其獨特的電性能和機械性能而嶄露鋒芒，可作為一種新的能量收集方法。與傳統的壓電材料相比，聚合物材料具有更大的應變能力，且重量輕、驅動效率高、抗振性能好，是最具有發展潛力的仿生材料之一。介電彈性體(Dieleetri。Elastomer)被認為是最具前景的一類材料，其中的丙烯酸彈性體和矽樹脂彈性體為其代表性材料。DEAP材料發電本質上是電容式，利用材料變形前後的電容改變，將機械能轉換為電能。相比壓電陶瓷，DEAP材料對機構工作速度要求較低。研究表明，丙烯酸類電活性聚合物材料發電能量密度為0.4J/g，遠高於壓電陶瓷(PZN-PT約為0.1J/g)。電活性聚合物(EAPs)的種類包括:導電橡膠、離子交換膜金屬複合材料、凝膠體、納米管及介電彈性體等。
本發明利用電活性聚合物收集風、波浪等振動能發電，開發新型可再生、低廉、環境友好、清潔的能源，可以促進世界能源可持續發展戰略。
附圖說明
圖1是本發明實施例提供的基於介電彈性體的環境振動能量採集控制系統結構示意圖；
圖中：1、偏置電源；2、儲能電容；3、DC-DC斬波電路；4、微控制器；5、監控軟體；6、介電彈性體。
圖2是本發明實施例提供的電活性聚合物的發電過程原理圖。
圖3是本發明實施例提供的監控軟體結構示意圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細的描述。
如圖1所示，本發明實施例提供的基於介電彈性體的環境振動能量採集控制系統包括：偏置電源1、儲能電容2、DC-DC斬波電路3、微控制器4、監控軟體5、介電彈性體6。
偏置電源1：由於介電彈性體6的可變電容原理，要讓其將機械能轉化為電能，需要加以偏置電源E，對介電彈性體6充電Cg進行預充電。
儲能電容2：將介電彈性體6升高的電能儲存起來，當介電彈性體6再次被外加外力的時候，它將能量輸送到後面的DC-DC斬波電路3。
DC-DC斬波電路3：與偏置電源1和儲能電容2並聯；即直流-直流變流電路，調節儲能電路發過來的直流電，使其能適應負載對電源的要求。
微控制器4：與DC-DC斬波電路3串聯，取樣DC-DC斬波電3路輸出的電能，把採集到的電能數據傳輸到上位機。
監控軟體5：與微控制器4導線連接，基於web的監控軟體應用，使用nodejs作為後臺程序編程環境，資料庫用mongodb，mongoose實現對資料庫的操作，起到連接nodejs和mongodb的作用。通過nodejs所搭建的後臺伺服器程序，將傳輸過來的數據保存在資料庫，並傳輸到前端頁面進行用canvas的方式進行圖形化顯示。這種監控程序具有跨平臺的優勢，即只需要製作一個，就可以移植到ios和Android。其軟體結構框圖如圖3所示。
當堆棧式介電彈性體換能元件Cg開始被壓縮時，微動開關S2被釋放，打回至常閉端負載一側。
當堆棧式介電彈性體換能元件Cg被壓縮到一定程度時，微動開關S1閉合，能量收集器Cg被高壓電源預充電。之後，堆棧式介電彈性體元件開始恢復形狀，其與高壓電源斷開。
當堆棧式介電彈性體換能元件Cg恢復為初始形狀時，微動開關S2被觸發，打向堆棧式介電彈性體換能元件Cg一端，能量收集器將其電能存入儲能電容Cs中
當下一次針對能量收集器的擠壓剛開始時，儲能電容Cs與DC-DC斬波電路接通，變流後再將電能送到負載上。
本發明的環境振動能量採集器1採用介電彈性體；具體原理如圖2所示；電活性聚合物(Dielectric Electro Active Polymer,DEAP也是介電彈性體(Dielectric Elastomer，DE)是一類膜狀的絕緣塑料(如軟矽樹脂，聚丙烯酸橡膠等)能實現電能向機械能的轉換，也能通過其大變形實現機械能向電能的轉換。其變形率大於壓電陶瓷等傳統的電致伸縮材料，使得這類材料作為微型機械中電致動器基礎材料得到廣泛的應用。反過來，在外力撤銷後，其儲存的彈性能轉換成電能，作為傳感器或發電機的製作材料。由於電活性聚合物組成的平板電容產生變形時，如圖2所示，其電容發生改變，所以把上下表面沉積柔性電極的電活性聚合物看成可變電容器。從圖2可看出電活性聚合物首先從狀態0到狀態1進行了3個方向的預拉伸；狀態1到狀態2隻是進行了兩個方向的預拉伸，即從方向x1，x2拉伸了，但方向x3卻壓縮了從而使外力做功轉換成彈性能儲存在電活性聚合物中；狀態2到狀態3一定需要施加高壓靜電場去激活上下表面柔性電極的電荷，這與壓電陶瓷發電有本質區別；此時電活性聚合物在厚度方向x3收縮，同時沿著面積A方向進行了擴展，直到電活性聚合物中的麥克斯韋應力和彈性應力達到平衡；狀態3到狀態4就是機械能向電能轉化過程，當撤銷加載在電活性聚合物上的外力時，電活性聚合物在厚度x3方向伸展，而同時沿著面積A方向進行了壓縮，原來儲存在其中的機械彈性能就轉換成電能了。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。