本發(fā)明屬于能量源技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于介電彈性體的環(huán)境振動(dòng)能量采集控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在面對(duì)能源緊缺、全球氣候變暖等嚴(yán)重問(wèn)題的今天，盡管利用微型化、集成化和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)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(guó)都在重點(diǎn)解決的重大問(wèn)題之一。新型環(huán)境能量采集技術(shù)是將自然界廣泛存在的各種環(huán)境能量，包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、熱能、振動(dòng)能、海洋能，以及其他能量如人體動(dòng)能、生化能等，利用各種新型環(huán)能材料、結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)，將其轉(zhuǎn)化為電能并存儲(chǔ)和利用的一種技術(shù)。作為環(huán)境中普遍存在的一種能量形式，機(jī)械振動(dòng)是我們比較關(guān)心的能量源，這是因?yàn)闄C(jī)械振動(dòng)來(lái)源豐富，足以滿(mǎn)足應(yīng)用需求，通過(guò)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)可以方便的將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為所需電能。根據(jù)發(fā)電原理不同，振動(dòng)發(fā)電機(jī)可以分為靜電式、電磁式與壓電式。壓電式振動(dòng)能量采集方法因?yàn)槠錂C(jī)械轉(zhuǎn)換系數(shù)高、不需要外接電源、適用MEMS技術(shù)，成為振動(dòng)能量采集領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一。壓電材料及其結(jié)構(gòu)形式是壓電能量收集裝置的核心，對(duì)能量收集能力大小起著至關(guān)重要的作用，其性能參數(shù)直接影響產(chǎn)生電量的大小。目前常用的材料是壓電陶瓷，壓電陶瓷發(fā)電對(duì)周?chē)h(huán)境要求較高，激振頻率一般在共振點(diǎn)頻率附近，非常容易碎且發(fā)電能量密度較低，不利于實(shí)際應(yīng)用。壓電陶瓷有一個(gè)諧振頻率(這是其材料性質(zhì)所固有的特性)，在負(fù)載不變的情況下，存在一個(gè)最優(yōu)的頻率點(diǎn)，讓激勵(lì)信號(hào)在壓電陶瓷的諧振頻率下，效率較高。如果作為采集人體動(dòng)能的裝置，比如走路時(shí)，采集鞋底的能量，或者膝蓋彎曲的能量，人體的做這些動(dòng)作所產(chǎn)生的激振頻率不一樣，有很多能量就無(wú)法進(jìn)行有效的采集。由于壓電振子在受到外部激勵(lì)后產(chǎn)生的是高電壓、低電流,而且每次變形產(chǎn)生的電荷量較少。目前針對(duì)壓電陶瓷的這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)在有通過(guò)設(shè)計(jì)儲(chǔ)存電路的方式來(lái)解決，比如通過(guò)將壓電振子所采集到的能量通過(guò)整流環(huán)節(jié)用電容存儲(chǔ)起來(lái)，當(dāng)電容的端電壓達(dá)到一個(gè)門(mén)限值的時(shí)候，再讓后接的恒壓電路進(jìn)行工作。從材料本身來(lái)說(shuō)，在已有的報(bào)道中，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(shí)現(xiàn)0.1-400mJ/g的能量收集密度。從這個(gè)數(shù)據(jù)可以看出，由于壓電陶瓷的變形量很小，幾乎可以說(shuō)沒(méi)有變形，因此只能轉(zhuǎn)換振動(dòng)能量，不能用于需要需要一定形變的場(chǎng)合；此外壓電陶瓷的能量收集密度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于介電高彈性聚合物，即使儲(chǔ)存電路再怎么優(yōu)化，從能量守恒的角度來(lái)說(shuō)，其轉(zhuǎn)換效率方面可以?xún)?yōu)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(diǎn)就使得它可以采集的能量形式要更多；對(duì)于介電彈性體所需要的偏置電源，可以用駐極體來(lái)替代，這可以使得基于介電彈性體的能量收集器的體積更小，更便于攜帶，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人體動(dòng)能的采集。

綜上所述，目前的壓電能量收集裝置采用壓電陶瓷存在對(duì)周?chē)h(huán)境要求較高，激振頻率在共振點(diǎn)頻率附近，非常容易碎且發(fā)電能量密度較低，不利于實(shí)際應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于介電彈性體的環(huán)境振動(dòng)能量采集控制系統(tǒng)，旨在解決目前的壓電能量收集裝置采用壓電陶瓷存在對(duì)周?chē)h(huán)境要求較高，激振頻率在共振點(diǎn)頻率附近，非常容易碎且發(fā)電能量密度較低，不利于實(shí)際應(yīng)用的問(wèn)題。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于介電彈性體的環(huán)境振動(dòng)能量采集控制系統(tǒng)，所述基于介電彈性體的環(huán)境振動(dòng)能量采集控制系統(tǒng)包括：

偏置電源，用于將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，對(duì)介電彈性體充電Cg進(jìn)行預(yù)充電；

儲(chǔ)能電容，用于將介電彈性體升高的電能儲(chǔ)存，當(dāng)介電彈性體再次被外加外力的時(shí)候，將能量輸送到后面的DC-DC斬波電路；

DC-DC斬波電路，與偏置電源和儲(chǔ)能電容并聯(lián)；即直流-直流變流電路，用于調(diào)節(jié)儲(chǔ)能電路發(fā)過(guò)來(lái)的直流電；

微控制器，與DC-DC斬波電路串聯(lián)，用于取樣DC-DC斬波電路輸出的電能，把采集到的電能數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)；

監(jiān)控軟件，與微控制器導(dǎo)線連接，用于通過(guò)nodejs所搭建的后臺(tái)服務(wù)器程序，將傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)，并傳輸?shù)角岸隧?yè)面進(jìn)行用canvas的方式進(jìn)行圖形化顯示。

進(jìn)一步，所述監(jiān)控軟件設(shè)置有：

nodejs作為后臺(tái)程序編程環(huán)境；

數(shù)據(jù)庫(kù)用mongodb，mongoose實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作，連接nodejs和mongodb。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述的基于介電彈性體的環(huán)境振動(dòng)能量采集控制系統(tǒng)的環(huán)境振動(dòng)能量采集控制方法，所述環(huán)境振動(dòng)能量采集控制方法包括：

當(dāng)堆棧式介電彈性體換能元件Cg開(kāi)始被壓縮時(shí)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)S2被釋放，打回至常閉端負(fù)載一側(cè)；

當(dāng)堆棧式介電彈性體換能元件Cg被壓縮到一定程度時(shí)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)S1閉合，能量收集器Cg被高壓電源預(yù)充電。之后，堆棧式介電彈性體元件開(kāi)始恢復(fù)形狀，其與高壓電源斷開(kāi)；

當(dāng)堆棧式介電彈性體換能元件Cg恢復(fù)為初始形狀時(shí)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)S2被觸發(fā)，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(chǔ)能電容Cs中；

當(dāng)下一次針對(duì)能量收集器的擠壓剛開(kāi)始時(shí)，儲(chǔ)能電容Cs與DC-DC斬波電路接通，變流后再將電能送到負(fù)載上。

本發(fā)明提供的基于介電彈性體的環(huán)境振動(dòng)能量采集控制系統(tǒng)，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(dú)特的電性能和機(jī)械性能而嶄露鋒芒，可作為一種新的能量收集方法。與傳統(tǒng)的壓電材料相比，聚合物材料具有更大的應(yīng)變能力，且重量輕、驅(qū)動(dòng)效率高、抗振性能好，是最具有發(fā)展?jié)摿Φ姆律牧现?。介電彈性體(Dieleetri。Elastomer)被認(rèn)為是最具前景的一類(lèi)材料，其中的丙烯酸彈性體和硅樹(shù)脂彈性體為其代表性材料。DEAP材料發(fā)電本質(zhì)上是電容式，利用材料變形前后的電容改變，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。相比壓電陶瓷，DEAP材料對(duì)機(jī)構(gòu)工作速度要求較低。研究表明，丙烯酸類(lèi)電活性聚合物材料發(fā)電能量密度為0.4J/g，遠(yuǎn)高于壓電陶瓷(PZN-PT約為0.1J/g)。電活性聚合物(EAPs)的種類(lèi)包括:導(dǎo)電橡膠、離子交換膜金屬?gòu)?fù)合材料、凝膠體、納米管及介電彈性體等。

本發(fā)明利用電活性聚合物收集風(fēng)、波浪等振動(dòng)能發(fā)電，開(kāi)發(fā)新型可再生、低廉、環(huán)境友好、清潔的能源，可以促進(jìn)世界能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于介電彈性體的環(huán)境振動(dòng)能量采集控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1、偏置電源；2、儲(chǔ)能電容；3、DC-DC斬波電路；4、微控制器；5、監(jiān)控軟件；6、介電彈性體。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的電活性聚合物的發(fā)電過(guò)程原理圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的基于介電彈性體的環(huán)境振動(dòng)能量采集控制系統(tǒng)包括：偏置電源1、儲(chǔ)能電容2、DC-DC斬波電路3、微控制器4、監(jiān)控軟件5、介電彈性體6。

偏置電源1：由于介電彈性體6的可變電容原理，要讓其將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，需要加以偏置電源E，對(duì)介電彈性體6充電Cg進(jìn)行預(yù)充電。

儲(chǔ)能電容2：將介電彈性體6升高的電能儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)介電彈性體6再次被外加外力的時(shí)候，它將能量輸送到后面的DC-DC斬波電路3。

DC-DC斬波電路3：與偏置電源1和儲(chǔ)能電容2并聯(lián)；即直流-直流變流電路，調(diào)節(jié)儲(chǔ)能電路發(fā)過(guò)來(lái)的直流電，使其能適應(yīng)負(fù)載對(duì)電源的要求。

微控制器4：與DC-DC斬波電路3串聯(lián)，取樣DC-DC斬波電3路輸出的電能，把采集到的電能數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

監(jiān)控軟件5：與微控制器4導(dǎo)線連接，基于web的監(jiān)控軟件應(yīng)用，使用nodejs作為后臺(tái)程序編程環(huán)境，數(shù)據(jù)庫(kù)用mongodb，mongoose實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作，起到連接nodejs和mongodb的作用。通過(guò)nodejs所搭建的后臺(tái)服務(wù)器程序，將傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)，并傳輸?shù)角岸隧?yè)面進(jìn)行用canvas的方式進(jìn)行圖形化顯示。這種監(jiān)控程序具有跨平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，即只需要制作一個(gè)，就可以移植到ios和Android。其軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

當(dāng)堆棧式介電彈性體換能元件Cg開(kāi)始被壓縮時(shí)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)S2被釋放，打回至常閉端負(fù)載一側(cè)。

當(dāng)堆棧式介電彈性體換能元件Cg被壓縮到一定程度時(shí)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)S1閉合，能量收集器Cg被高壓電源預(yù)充電。之后，堆棧式介電彈性體元件開(kāi)始恢復(fù)形狀，其與高壓電源斷開(kāi)。

當(dāng)堆棧式介電彈性體換能元件Cg恢復(fù)為初始形狀時(shí)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)S2被觸發(fā)，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(chǔ)能電容Cs中

當(dāng)下一次針對(duì)能量收集器的擠壓剛開(kāi)始時(shí)，儲(chǔ)能電容Cs與DC-DC斬波電路接通，變流后再將電能送到負(fù)載上。

本發(fā)明的環(huán)境振動(dòng)能量采集器1采用介電彈性體；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(lèi)膜狀的絕緣塑料(如軟硅樹(shù)脂，聚丙烯酸橡膠等)能實(shí)現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，也能通過(guò)其大變形實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換。其變形率大于壓電陶瓷等傳統(tǒng)的電致伸縮材料，使得這類(lèi)材料作為微型機(jī)械中電致動(dòng)器基礎(chǔ)材料得到廣泛的應(yīng)用。反過(guò)來(lái)，在外力撤銷(xiāo)后，其儲(chǔ)存的彈性能轉(zhuǎn)換成電能，作為傳感器或發(fā)電機(jī)的制作材料。由于電活性聚合物組成的平板電容產(chǎn)生變形時(shí)，如圖2所示，其電容發(fā)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(tài)0到狀態(tài)1進(jìn)行了3個(gè)方向的預(yù)拉伸；狀態(tài)1到狀態(tài)2只是進(jìn)行了兩個(gè)方向的預(yù)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(zhuǎn)換成彈性能儲(chǔ)存在電活性聚合物中；狀態(tài)2到狀態(tài)3一定需要施加高壓靜電場(chǎng)去激活上下表面柔性電極的電荷，這與壓電陶瓷發(fā)電有本質(zhì)區(qū)別；此時(shí)電活性聚合物在厚度方向x3收縮，同時(shí)沿著面積A方向進(jìn)行了擴(kuò)展，直到電活性聚合物中的麥克斯韋應(yīng)力和彈性應(yīng)力達(dá)到平衡；狀態(tài)3到狀態(tài)4就是機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)化過(guò)程，當(dāng)撤銷(xiāo)加載在電活性聚合物上的外力時(shí)，電活性聚合物在厚度x3方向伸展，而同時(shí)沿著面積A方向進(jìn)行了壓縮，原來(lái)儲(chǔ)存在其中的機(jī)械彈性能就轉(zhuǎn)換成電能了。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。