新型壓力能收集實驗裝置的設計研究

焦艷梅

摘要： 隨著社會的不斷發(fā)展進步，人們對能源的需求逐漸變大，能源越來越供不應求，為有效開發(fā)利用環(huán)境中的能量，本文設計了一種利用壓電陶瓷基于MSP430單片機的壓力能收集實驗裝置，并測量了相關的數(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.

關鍵詞： 能源；壓力能；壓電陶瓷

Key words： energy；pressure energy；piezoelectric ceramics

中圖分類號：P754.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）24-0152-02

0 引言

能量收集是一個新概念，源于能源危機，與傳統(tǒng)發(fā)電機產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換成可供人類使用的電能并存儲，以實現(xiàn)能源的回收和再利用。壓電陶瓷是一種能夠將機械能和電能互相轉換的信息功能陶瓷材料，稱之為壓電效應，我們就是利用了這個性質，在此基礎上設計了相應的能量轉換收集儲存機構。

1 整體設計思路

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

現(xiàn)對主要模塊的工作原理做簡單介紹：

①振動產生的壓力能。

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

②能量轉換模塊。

壓力能經過能量轉換模塊，也就是壓電陶瓷，轉化為電能，具體結構在下文中有詳細的講解；

③儲能元件。

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

④能量收集模塊。

其主要任務是將能量轉換模塊輸出的電能進行整流處理并收集儲存。此模塊的整流處理部分是通過LTC3588-1壓電能量收集芯片和芯片對應的外圍電路完成。LTC3588-1可以直接與能量轉換模塊連接，在芯片內部有一個整流模塊，通過該模塊對能量轉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儲存至CAP管腳外接的電容，同時通過一個內部并聯(lián)穩(wěn)壓器吸收多余的功率。當電容儲存的電量達到設定值之后，通過降壓型轉換器輸出電壓。當有負載時，輸出電壓可以直接驅動負載；當沒有負載時，將輸出的電能儲存至儲能元件。

⑤能量采集模塊。

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

⑥顯示模塊。

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

2 機械結構設計

由于壓電陶瓷收集壓力能的結構目前還沒有實際的應用，而且，即使要使用也許要大面積鋪設才能見效，所以，為了測試其可行性，我們設計了一種小型試驗設備，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生的振動沖擊，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，電機帶動凸輪運動，凸輪帶動推桿做軸向移動，同時，拍擊板和拍擊柱也沿軸向移動，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的，滿足人在行走過程中給地面的隨機振動力的形式。

3 數(shù)據(jù)分析

為了得出具體的數(shù)值，現(xiàn)設定電機轉速為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；測試超級電容的電壓每隔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，我們可以用來照明或給小型電器充電，同時，壓電陶瓷的發(fā)展還處于初級階段，隨著新技術的不斷引進，壓電陶瓷技術也會得到完善和發(fā)展，會推動壓力能收集技術的進步。

4 結束語

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

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