新型壓力能收集實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)研究

焦艷梅

摘要： 隨著社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，人們對(duì)能源的需求逐漸變大，能源越來(lái)越供不應(yīng)求，為有效開發(fā)利用環(huán)境中的能量，本文設(shè)計(jì)了一種利用壓電陶瓷基于MSP430單片機(jī)的壓力能收集實(shí)驗(yàn)裝置，并測(cè)量了相關(guān)的數(shù)據(jù)。

Abstract： With the continuous development and progress of society， the demand for energy is becoming more and more important， and the energy is becoming more and more urgent. In order to effectively develop and utilize the energy in the environment， this paper designs a kind of pressure energy collecting experimental device based on MSP430 single-chip by using piezoelectric ceramics， and measures the relevant data.

關(guān)鍵詞： 能源；壓力能；壓電陶瓷

Key words： energy；pressure energy；piezoelectric ceramics

中圖分類號(hào)：P754.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）24-0152-02

0 引言

能量收集是一個(gè)新概念，源于能源危機(jī)，與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能的不同之處在于，它是將環(huán)境中人們未能利用的能源轉(zhuǎn)換成可供人類使用的電能并存儲(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)能源的回收和再利用。壓電陶瓷是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的信息功能陶瓷材料，稱之為壓電效應(yīng)，我們就是利用了這個(gè)性質(zhì)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換收集儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)。

1 整體設(shè)計(jì)思路

壓電陶瓷在受到一定的振動(dòng)力的情況下，會(huì)將壓力能轉(zhuǎn)化為電能，振動(dòng)是自然界常見的現(xiàn)象，例如海水的拍打、車站人流的腳步等都可以產(chǎn)生振動(dòng)，由于其幾乎無(wú)處不在而且具有較高的能量密度的特點(diǎn)，所以，我們可以將這種壓力能用壓電陶瓷收集，然后，儲(chǔ)存利用，具體實(shí)現(xiàn)原理如圖1。

現(xiàn)對(duì)主要模塊的工作原理做簡(jiǎn)單介紹：

①振動(dòng)產(chǎn)生的壓力能。

根據(jù)使用場(chǎng)合由外界決定，例如，此裝置安裝在火車站進(jìn)站口的位置，人體的重量及走動(dòng)的頻率就決定了壓力能的大小；

②能量轉(zhuǎn)換模塊。

壓力能經(jīng)過(guò)能量轉(zhuǎn)換模塊，也就是壓電陶瓷，轉(zhuǎn)化為電能，具體結(jié)構(gòu)在下文中有詳細(xì)的講解；

③儲(chǔ)能元件。

用于儲(chǔ)存收集的電量，為了更好地收集零散的壓力能，要求儲(chǔ)能元件具有快速充放電功能，故選擇超級(jí)電容器。

④能量收集模塊。

其主要任務(wù)是將能量轉(zhuǎn)換模塊輸出的電能進(jìn)行整流處理并收集儲(chǔ)存。此模塊的整流處理部分是通過(guò)LTC3588-1壓電能量收集芯片和芯片對(duì)應(yīng)的外圍電路完成。LTC3588-1可以直接與能量轉(zhuǎn)換模塊連接，在芯片內(nèi)部有一個(gè)整流模塊，通過(guò)該模塊對(duì)能量轉(zhuǎn)換模塊輸出的電壓波形整流，在超低靜態(tài)電流（450nA）欠壓閉鎖（ULVO）模式下，將整流后的電流暫時(shí)儲(chǔ)存至CAP管腳外接的電容，同時(shí)通過(guò)一個(gè)內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器吸收多余的功率。當(dāng)電容儲(chǔ)存的電量達(dá)到設(shè)定值之后，通過(guò)降壓型轉(zhuǎn)換器輸出電壓。當(dāng)有負(fù)載時(shí)，輸出電壓可以直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載；當(dāng)沒(méi)有負(fù)載時(shí)，將輸出的電能儲(chǔ)存至儲(chǔ)能元件。

⑤能量采集模塊。

信號(hào)采集模塊的主要功能是采集能量收集模塊中的儲(chǔ)能元件的電信號(hào)，以此來(lái)判斷能量收集狀況。此模塊主要使用MSP430G2553單片機(jī)，它是一款超低功耗混合信號(hào)微控制器，具有內(nèi)置的一個(gè)10 位模數(shù) （A/D）轉(zhuǎn)換器、16位定時(shí)器、16個(gè)觸摸感測(cè)的 I/O引腳、一個(gè)多用途的模擬比較器以及通用的串行內(nèi)置通信能力。

⑥顯示模塊。

顯示模塊的作用是將采集模塊經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)清晰了然的呈現(xiàn)出來(lái)，方便測(cè)試人員觀察、操作。此模塊是利用了MSP430單片機(jī)的外接設(shè)備，LCD12864液晶屏。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于壓電陶瓷收集壓力能的結(jié)構(gòu)目前還沒(méi)有實(shí)際的應(yīng)用，而且，即使要使用也許要大面積鋪設(shè)才能見效，所以，為了測(cè)試其可行性，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種小型試驗(yàn)設(shè)備，所選用的壓電陶瓷為PZT-5H材料，為了提高電流，將其并聯(lián)連接，具體實(shí)物圖如圖2所示。

將壓電陶瓷并聯(lián)固定于底座上平面上，用拍擊柱模擬人體行走所產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊，拍擊柱固定于拍擊板上，拍擊板和推桿間隙配合，軸向固定，這樣，電機(jī)帶動(dòng)凸輪運(yùn)動(dòng)，凸輪帶動(dòng)推桿做軸向移動(dòng)，同時(shí)，拍擊板和拍擊柱也沿軸向移動(dòng)，由于拍擊板和推桿是間隙配合，所以，拍擊柱給壓電陶瓷拍擊力的位置是隨機(jī)的，滿足人在行走過(guò)程中給地面的隨機(jī)振動(dòng)力的形式。

3 數(shù)據(jù)分析

為了得出具體的數(shù)值，現(xiàn)設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速為20r/min；拍擊高度為25mm；拍擊板和拍擊柱的重量和為0.8kg；采用8片壓電陶瓷，平鋪面積大約0.09m2；測(cè)試超級(jí)電容的電壓每隔10分鐘的變化情況，具體數(shù)值如表1所示。

將這些分散，不規(guī)則的壓力能收集是一個(gè)新的理念，雖然，發(fā)電量不是很高，但是作為輔助能源收集裝置，是可以考慮利用的，我們可以用來(lái)照明或給小型電器充電，同時(shí)，壓電陶瓷的發(fā)展還處于初級(jí)階段，隨著新技術(shù)的不斷引進(jìn)，壓電陶瓷技術(shù)也會(huì)得到完善和發(fā)展，會(huì)推動(dòng)壓力能收集技術(shù)的進(jìn)步。

4 結(jié)束語(yǔ)

壓力能收集是開發(fā)能源利用的一個(gè)新的開端，壓力能收集裝置的設(shè)計(jì)還有很大的發(fā)展空間，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，壓電陶瓷材料的不斷改進(jìn)，壓力能收集會(huì)是以后能源利用的一個(gè)重要分支，我們應(yīng)該探索更廣泛的應(yīng)用空間。

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