一种基于介电弹性体的环境振动能量采集控制系统的制作方法

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。

技术实现要素：

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；

当堆栈式介电弹性体换能元件Cg被压缩到一定程度时，微动开关S1闭合，能量收集器Cg被高压电源预充电。之后，堆栈式介电弹性体元件开始恢复形状，其与高压电源断开；

当堆栈式介电弹性体换能元件Cg恢复为初始形状时，微动开关S2被触发，打向堆栈式介电弹性体换能元件Cg一端，能量收集器将其电能存入储能电容Cs中；

当下一次针对能量收集器的挤压刚开始时，储能电容Cs与DC-DC斩波电路接通，变流后再将电能送到负载上。

本发明提供的基于介电弹性体的环境振动能量采集控制系统，介电型电活性聚合物(Dielectric Electro Active Polymer，DEAP)作为一种新型智能材料，因其独特的电性能和机械性能而崭露锋芒，可作为一种新的能量收集方法。与传统的压电材料相比，聚合物材料具有更大的应变能力，且重量轻、驱动效率高、抗振性能好，是最具有发展潜力的仿生材料之一。介电弹性体(Dieleetri。Elastomer)被认为是最具前景的一类材料，其中的丙烯酸弹性体和硅树脂弹性体为其代表性材料。DEAP材料发电本质上是电容式，利用材料变形前后的电容改变，将机械能转换为电能。相比压电陶瓷，DEAP材料对机构工作速度要求较低。研究表明，丙烯酸类电活性聚合物材料发电能量密度为0.4J/g，远高于压电陶瓷(PZN-PT约为0.1J/g)。电活性聚合物(EAPs)的种类包括:导电橡胶、离子交换膜金属复合材料、凝胶体、纳米管及介电弹性体等。

本发明利用电活性聚合物收集风、波浪等振动能发电，开发新型可再生、低廉、环境友好、清洁的能源，可以促进世界能源可持续发展战略。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于介电弹性体的环境振动能量采集控制系统结构示意图；

图中：1、偏置电源；2、储能电容；3、DC-DC斩波电路；4、微控制器；5、监控软件；6、介电弹性体。

图2是本发明实施例提供的电活性聚合物的发电过程原理图。

图3是本发明实施例提供的监控软件结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的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1、储能电容2、DC-DC斩波电路3、微控制器4、监控软件5、介电弹性体6。

偏置电源1：由于介电弹性体6的可变电容原理，要让其将机械能转化为电能，需要加以偏置电源E，对介电弹性体6充电Cg进行预充电。

储能电容2：将介电弹性体6升高的电能储存起来，当介电弹性体6再次被外加外力的时候，它将能量输送到后面的DC-DC斩波电路3。

DC-DC斩波电路3：与偏置电源1和储能电容2并联；即直流-直流变流电路，调节储能电路发过来的直流电，使其能适应负载对电源的要求。

微控制器4：与DC-DC斩波电路3串联，取样DC-DC斩波电3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5：与微控制器4导线连接，基于web的监控软件应用，使用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，起到连接nodejs和mongodb的作用。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。这种监控程序具有跨平台的优势，即只需要制作一个，就可以移植到ios和Android。其软件结构框图如图3所示。

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。

当堆栈式介电弹性体换能元件Cg被压缩到一定程度时，微动开关S1闭合，能量收集器Cg被高压电源预充电。之后，堆栈式介电弹性体元件开始恢复形状，其与高压电源断开。

当堆栈式介电弹性体换能元件Cg恢复为初始形状时，微动开关S2被触发，打向堆栈式介电弹性体换能元件Cg一端，能量收集器将其电能存入储能电容Cs中

当下一次针对能量收集器的挤压刚开始时，储能电容Cs与DC-DC斩波电路接通，变流后再将电能送到负载上。

本发明的环境振动能量采集器1采用介电弹性体；具体原理如图2所示；电活性聚合物(Dielectric Electro Active Polymer,DEAP也是介电弹性体(Dielectric Elastomer，DE)是一类膜状的绝缘塑料(如软硅树脂，聚丙烯酸橡胶等)能实现电能向机械能的转换，也能通过其大变形实现机械能向电能的转换。其变形率大于压电陶瓷等传统的电致伸缩材料，使得这类材料作为微型机械中电致动器基础材料得到广泛的应用。反过来，在外力撤销后，其储存的弹性能转换成电能，作为传感器或发电机的制作材料。由于电活性聚合物组成的平板电容产生变形时，如图2所示，其电容发生改变，所以把上下表面沉积柔性电极的电活性聚合物看成可变电容器。从图2可看出电活性聚合物首先从状态0到状态1进行了3个方向的预拉伸；状态1到状态2只是进行了两个方向的预拉伸，即从方向x₁，x₂拉伸了，但方向x₃却压缩了从而使外力做功转换成弹性能储存在电活性聚合物中；状态2到状态3一定需要施加高压静电场去激活上下表面柔性电极的电荷，这与压电陶瓷发电有本质区别；此时电活性聚合物在厚度方向x3收缩，同时沿着面积A方向进行了扩展，直到电活性聚合物中的麦克斯韦应力和弹性应力达到平衡；状态3到状态4就是机械能向电能转化过程，当撤销加载在电活性聚合物上的外力时，电活性聚合物在厚度x3方向伸展，而同时沿着面积A方向进行了压缩，原来储存在其中的机械弹性能就转换成电能了。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。