[发明专利]一种基于介电弹性体的环境振动能量采集控制系统

说明书

技术领域

本发明属于能量源技术领域，尤其涉及一种基于介电弹性体的环境振动能量采集控制系统。

背景技术

在面对能源紧缺、全球气候变暖等严重问题的今天，尽管利用微型化、集成化和优化网络通信协议等方法可以有效地降低功耗，寻找和利用清洁、可再生能源是各国都在重点解决的重大问题之一。新型环境能量采集技术是将自然界广泛存在的各种环境能量，包括太阳能、风能、热能、振动能、海洋能，以及其他能量如人体动能、生化能等，利用各种新型环能材料、结构或系统，将其转化为电能并存储和利用的一种技术。作为环境中普遍存在的一种能量形式，机械振动是我们比较关心的能量源，这是因为机械振动来源丰富，足以满足应用需求，通过微机电系统(MEMS)可以方便的将振动能转化为所需电能。根据发电原理不同，振动发电机可以分为静电式、电磁式与压电式。压电式振动能量采集方法因为其机械转换系数高、不需要外接电源、适用MEMS技术，成为振动能量采集领域研究的重点之一。压电材料及其结构形式是压电能量收集装置的核心，对能量收集能力大小起着至关重要的作用，其性能参数直接影响产生电量的大小。目前常用的材料是压电陶瓷，压电陶瓷发电对周围环境要求较高，激振频率一般在共振点频率附近，非常容易碎且发电能量密度较低，不利于实际应用。压电陶瓷有一个谐振频率(这是其材料性质所固有的特性)，在负载不变的情况下，存在一个最优的频率点，让激励信号在压电陶瓷的谐振频率下，效率较高。如果作为采集人体动能的装置，比如走路时，采集鞋底的能量，或者膝盖弯曲的能量，人体的做这些动作所产生的激振频率不一样，有很多能量就无法进行有效的采集。由于压电振子在受到外部激励后产生的是高电压、低电流,而且每次变形产生的电荷量较少。目前针对压电陶瓷的这个问题，现在有通过设计储存电路的方式来解决，比如通过将压电振子所采集到的能量通过整流环节用电容存储起来，当电容的端电压达到一个门限值的时候，再让后接的恒压电路进行工作。从材料本身来说，在已有的报道中，压电陶瓷的最大能量收集密度约为1.0mJ/g，材料变形则约为1％；而在介电高弹聚合物则可在100％的变形下实现0.1-400mJ/g的能量收集密度。从这个数据可以看出，由于压电陶瓷的变形量很小，几乎可以说没有变形，因此只能转换振动能量，不能用于需要需要一定形变的场合；此外压电陶瓷的能量收集密度要远远低于介电高弹性聚合物，即使储存电路再怎么优化，从能量守恒的角度来说，其转换效率方面可以优化的地方很有限。而介电弹性体在本身的材料变形很大，这点就使得它可以采集的能量形式要更多；对于介电弹性体所需要的偏置电源，可以用驻极体来替代，这可以使得基于介电弹性体的能量收集器的体积更小，更便于携带，从而实现对人体动能的采集。

综上所述，目前的压电能量收集装置采用压电陶瓷存在对周围环境要求较高，激振频率在共振点频率附近，非常容易碎且发电能量密度较低，不利于实际应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于介电弹性体的环境振动能量采集控制系统，旨在解决目前的压电能量收集装置采用压电陶瓷存在对周围环境要求较高，激振频率在共振点频率附近，非常容易碎且发电能量密度较低，不利于实际应用的问题。

本发明是这样实现的，一种基于介电弹性体的环境振动能量采集控制系统，所述基于介电弹性体的环境振动能量采集控制系统包括：

偏置电源，用于将机械能转化为电能，对介电弹性体充电Cg进行预充电；

储能电容，用于将介电弹性体升高的电能储存，当介电弹性体再次被外加外力的时候，将能量输送到后面的DC-DC斩波电路；

DC-DC斩波电路，与偏置电源和储能电容并联；即直流-直流变流电路，用于调节储能电路发过来的直流电；

微控制器，与DC-DC斩波电路串联，用于取样DC-DC斩波电路输出的电能，把采集到的电能数据传输到上位机；

监控软件，与微控制器导线连接，用于通过nodejs所搭建的后台服务器程序，将传输过来的数据保存在数据库，并传输到前端页面进行用canvas的方式进行图形化显示。

进一步，所述监控软件设置有：

nodejs作为后台程序编程环境；

数据库用mongodb，mongoose实现对数据库的操作，连接nodejs和mongodb。

本发明的另一目的在于提供一种所述的基于介电弹性体的环境振动能量采集控制系统的环境振动能量采集控制方法，所述环境振动能量采集控制方法包括：

当堆栈式介电弹性体换能元件Cg开始被压缩时，微动开关S2被释放，打回至常闭端负载一侧；