南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院汪飛課題組的研究團(tuán)隊最近在《Renewable Energy》2024年第221卷發(fā)表了一篇題為“High-performance piezoelectric energy harvesting system with anti-interference capability for smart grid monitoring”的論文。該研究聚焦于一種具備抗干擾能力的壓電能量采集器，主要應(yīng)用在輸電線上，通過磁場耦合原理實現(xiàn)能量的高效收集。為了優(yōu)化空間利用率和設(shè)備穩(wěn)定性，研究團(tuán)隊設(shè)計了三個壓電能量采集器，使設(shè)備能夠在外部干擾存在的情況下圍繞輸電線自由旋轉(zhuǎn)。這種配置不僅確保了設(shè)備在外部振動或晃動的情況下仍能保持穩(wěn)定運行，而且在嚴(yán)重外部干擾的情況下，能量采集器依然能夠提供高性能的輸出。這項研究的成果對于智能電網(wǎng)監(jiān)測具有重要意義，為實現(xiàn)可靠的能量收集和傳感器供電提供了創(chuàng)新的解決方案。??? ? ? ?

背景介紹

近年來，隨著微電子機(jī)械系統(tǒng) (MEMS) 技術(shù)的推廣，無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSNs) 備受矚目，推動了智能傳感器的蓬勃發(fā)展。WSNs在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療管理和智能城市等領(lǐng)域大量應(yīng)用，得益于其靈活布局、低成本和高穩(wěn)定性等優(yōu)勢。WSNs由大量靜態(tài)傳感器節(jié)點組成，通過短程無線鏈接進(jìn)行通信。然而，傳感器節(jié)點通常依賴有限能量存儲的電池供電，而在崎嶇地形的部署和極端天氣條件下，電池充電困難，可能引發(fā)環(huán)境問題。同時，WSNs上運行的應(yīng)用要求傳感器節(jié)點能夠穩(wěn)定運行數(shù)月甚至數(shù)年，因此，為節(jié)點提供持續(xù)電源并確保其不間斷運行成為一項挑戰(zhàn)。

為解決傳感器節(jié)點電源供應(yīng)問題，研究人員提出將環(huán)境能源作為傳感器節(jié)點的替代能源，通過從周圍環(huán)境中獲取能量來實現(xiàn)可持續(xù)電源供應(yīng)。相比傳統(tǒng)電池，環(huán)境能源具有清潔和可再生的優(yōu)勢。其中，雖然振動能源在環(huán)境中普遍存在且易于獲取，但由于振動源頻率隨機(jī)，導(dǎo)致振動能量采集器輸出不穩(wěn)定。在智能電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中，通過電磁耦合，可以利用靠近輸電線的50 Hz交變磁場產(chǎn)生穩(wěn)定的振動能量，為附近無線傳感器節(jié)點提供可靠電源。然而，目前大多數(shù)研究主要側(cè)重于優(yōu)化能量采集器的磁鐵排列和振動模式，且研究結(jié)果受限于實驗室環(huán)境。鮮有研究探討這些設(shè)備在外部隨機(jī)振動干擾下的性能，如強(qiáng)風(fēng)引起的輸電線搖擺可能改變最佳相對位置，從而降低采集器的輸出。? ?

為了提高能量采集器輸出性能，確保在外部干擾下穩(wěn)定運行，我們提出了一種抗干擾壓電能量采集裝置，能夠從電力線周圍磁場中捕獲能量，如圖1所示。此外，通過設(shè)計三個壓電懸臂結(jié)構(gòu)，充分利用磁體相互作用，優(yōu)化了能量收集效率。

圖1 (a) 抗干擾能量收集裝置應(yīng)用場景及三維原理圖; (b) 能量采集器的工作原理: 壓電懸臂梁自由端的磁鐵與導(dǎo)線周圍的交變磁場耦合，引起梁的振動，產(chǎn)生電壓輸出。

本文亮點 ?

1. 采用頻率補(bǔ)償技術(shù)解決磁力的不良影響

2. 在搖晃干擾下，裝置保持穩(wěn)定可靠的輸出

3. 從靠近輸電線的磁場中獲取的能量足以滿足無線傳感器的需求??

結(jié)果分析與討論 ?

我們首先進(jìn)行了壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)、磁場耦合原理和能量轉(zhuǎn)換機(jī)制的理論分析。結(jié)果顯示，磁鐵間的相互作用導(dǎo)致了在三個懸臂梁結(jié)構(gòu)配置下，除了振動方向的力之外，還存在軸向載荷力。這種軸向力使得每個懸臂梁的固有頻率降低。為了驗證理論分析的準(zhǔn)確性，我們運用COMSOL仿真軟件進(jìn)行了模擬，獲得了與理論分析相一致的結(jié)果，為后續(xù)實驗設(shè)計提供了重要參考。隨后，我們通過一系列實驗驗證了理論分析和仿真模擬的結(jié)果。首先驗證了磁鐵對壓電懸臂梁固有頻率的影響。結(jié)果顯示，磁鐵間的相互影響使得懸臂梁的固有頻率偏離激勵頻率(50Hz)，從而導(dǎo)致輸出電壓降低，如圖2所示。實驗結(jié)果與之前的理論和仿真模擬結(jié)果一致。經(jīng)過頻率補(bǔ)償后，即使在磁鐵相互影響下，固有頻率也能與激勵頻率匹配，實現(xiàn)了最佳的能量輸出，最高輸出功率為272.91μW，如圖3所示。? ?

圖2 能量收集器在分離和組裝模式下的性能比較

圖3 三個能力采集器的輸出功率隨負(fù)載電阻的變化

圖4 能量采集器的抗干擾測試

接著，我們進(jìn)行了振動干擾測試，評估能量采集器在外部干擾條件下的表現(xiàn)，如圖4所示。在無外界干擾的情況下，能量采集器呈現(xiàn)平穩(wěn)的輸出電壓波形，輸出電壓均方根值（Vrms）為9.34 V。當(dāng)受到隨機(jī)加速度（均方根值為8.16 m/s2）的振動干擾時，輸出電壓波形出現(xiàn)波動。然而，在干擾的情況下，其輸出電壓均方根值Vrms為9.31 V，與無干擾時極為接近，證明了能量收集裝置具備抗干擾的能力。? ?

應(yīng)用展示 ?

最后，我們將所研發(fā)的器件應(yīng)用于智能電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中的溫濕度傳感器供電，如圖5所示。能量收集器將輸電線周圍的磁場能量轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)整流電路輸出直流電源，供能源管理系統(tǒng)使用。該系統(tǒng)包括能量管理模塊（LTC 3588）和470 μF儲能電容器，用于存儲電能并控制后端負(fù)載電路的連接和斷開。溫濕度無線傳感器采用商用溫濕度無線傳感器，用于監(jiān)測輸電線附近的溫濕度變化，并將數(shù)據(jù)傳輸至附近的網(wǎng)關(guān)。最后，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳送至智能手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。? ?

圖5 自供電溫濕度傳感系統(tǒng)原理圖和實物圖

從圖6可以看出，經(jīng)過初始29.6秒的充電，儲能電容的電壓達(dá)到5.12 V。隨后開始放電，為無線溫濕度傳感器供能。在初始充放電后，儲能電容只需約9秒充電時間，即可再次放電，為傳感器供能。因此，無線溫濕度傳感器每9秒向附近的網(wǎng)關(guān)傳輸一次數(shù)據(jù)。此外，對8次記錄的溫度和濕度數(shù)據(jù)顯示，傳感器能及時檢測到外部環(huán)境的變化。這為監(jiān)測和警報輸電線附近的極端天氣條件提供了可行的解決方案。? ??

圖6 自供電溫濕度傳感系統(tǒng)的應(yīng)用演示

汪飛課題組近年來研究重點圍繞微納能量收集技術(shù)以及用于環(huán)境及人體健康監(jiān)測的微納傳感器等，已出版英文專著3章節(jié)，累計發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇，其中SCI期刊論文110余篇(3篇封面，1篇ESI高被引論文)，包括Applied Energy、IEEE EDL、Sensor and Actuators A&B、J.MEMS、JMM等領(lǐng)域一流期刊。汪飛教授2020年被推選為微納傳感器領(lǐng)域頂級國際會議Transducers 2021執(zhí)行委員會委員（大陸僅兩名），2019年獲得IEEE MEMS 2020會議邀請報告（全球8名，大陸唯一）。課題組研究工作長期獲得了國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)杰出青年基金、深圳市科創(chuàng)委及南山區(qū)等各項經(jīng)費支持。? ?

審核編輯：黃飛

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