能量收集技術(shù)在電氣中的應(yīng)用研究

曾東鑫

(福建省晉江市電力有限責(zé)任公司，福建 晉江 362200)

1 引言

隨著科技技術(shù)的進(jìn)步，小型化、低功耗成為了電路系統(tǒng)的趨勢(shì)，另一方面，電氣應(yīng)用中所需的傳感節(jié)點(diǎn)大多數(shù)處于高電壓、強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境中，其絕熱、絕緣和電磁干擾等問(wèn)題成為節(jié)點(diǎn)供電電源所需克服的問(wèn)題［1］。使用鋰電池曾經(jīng)是一種很好的方式，然而盡管電池的儲(chǔ)能密度和使用壽命不斷的提高，仍無(wú)法解決體積大、壽命有限等問(wèn)題。環(huán)境中能量雖然微小，但取之不盡，加上所需的電能調(diào)理電路元件簡(jiǎn)單、體積小，是電氣在線監(jiān)測(cè)中一種合適的能量獲取方式，因此隨著能量收集技術(shù)的發(fā)展，在電氣中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。

能量收集器能夠提取電氣環(huán)境下的電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能，這些能量是不連續(xù)的，只有經(jīng)過(guò)調(diào)理后才能轉(zhuǎn)換成可用的直流電壓供傳感節(jié)點(diǎn)使用，或者給二次儲(chǔ)能元件例如超級(jí)電容充電。能量收集的關(guān)鍵是在考慮輸出阻抗匹配的前提下設(shè)計(jì)合適的變換及儲(chǔ)能電路，使得收集的能量與消耗的能量保持平衡。

2 能量收集技術(shù)應(yīng)用綜述

在電氣應(yīng)用領(lǐng)域，電場(chǎng)能和電磁能是無(wú)處不在的兩種能量，充分收集這部分能量就能夠使處于其中的傳感節(jié)點(diǎn)具備自供電能力，長(zhǎng)時(shí)間免維護(hù)的工作，使得大范圍的無(wú)線傳感分布式網(wǎng)絡(luò)成為可能。能量收集在電氣中的應(yīng)用起源于2009年Hubbert等為解決北美冰雪積壓的輸電線的在線監(jiān)測(cè)問(wèn)題，高壓傳輸線的能量收集器［2］，他們?cè)?50kV的高壓下收集到了近200mW的能量，這個(gè)實(shí)驗(yàn)激發(fā)了人們對(duì)于電場(chǎng)能量收集的探索。美國(guó)麻省理工學(xué)院的科學(xué)家Kymssis設(shè)計(jì)了基于PVDF材料的沖擊式壓電裝置［3］，其峰值電能能夠達(dá)到80mW，點(diǎn)亮了基于壓電效應(yīng)的電磁能量收集的新思路。

利用環(huán)境能量給無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)供電，使其具備自適應(yīng)的在線監(jiān)測(cè)功能，一直以來(lái)是能量收集技術(shù)在電氣中應(yīng)用的思路。節(jié)點(diǎn)工作時(shí)處于休眠、輪詢(xún)、發(fā)射、接收的循環(huán)中［4］。雖然在輪詢(xún)和發(fā)射需要消耗的能量很大，但是持續(xù)的時(shí)間很短，因此平均能耗很低。這樣，雖然能量收集功率是不連續(xù)的，但是提取的能量仍能夠應(yīng)付節(jié)點(diǎn)的消耗，如圖1所示。

圖1 能量收集與損耗對(duì)比曲線

無(wú)論是電場(chǎng)能還是電磁能，在收集過(guò)程中都要面臨不連續(xù)且非常微弱的難題，一度限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。美國(guó)賓夕法尼亞州大學(xué)科學(xué)家 Ottman設(shè)計(jì)了包括DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器、同步波形校正器、電容器的管理電路，提出了收集功率最優(yōu)值的概念，奠定了能量管理電路的基礎(chǔ)，使得有效存儲(chǔ)和利用能量成為可能。

3 電磁能量收集技術(shù)

根據(jù)安培分子電流理論，電流能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)，那么對(duì)放入其中的磁鐵就會(huì)有電磁力的作用，當(dāng)電流的方向改變時(shí)，磁場(chǎng)的方向也會(huì)改變，從而形成振動(dòng)，當(dāng)帶上具有正壓電效應(yīng)的壓電陶瓷后，就會(huì)使其輸出電壓，電磁能量收集就是基于這個(gè)原理展開(kāi)的。

3.1 電磁能量收集的原理

圖2所示的是一種利用電流磁場(chǎng)的產(chǎn)生壓電能量的模型圖，在交流電流下由畢奧－薩伐爾定律可知，空間將會(huì)產(chǎn)生極性不斷變化的磁場(chǎng)，并對(duì)處于其中的磁鐵產(chǎn)生電磁力的作用。磁鐵帶動(dòng)懸臂梁和壓電雙晶片振動(dòng)，而每個(gè)壓電陶瓷上下兩個(gè)極面都覆蓋有Cr/Cu復(fù)合金屬膜組成上下電極，選擇固有頻率為50Hz的陶瓷將使輸出電壓達(dá)到最大［5］。

圖2 懸臂梁式電磁發(fā)電的機(jī)電模型

該模型是一個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)，因此遵循伯努利－歐拉振動(dòng)方程，即

式中:y(x，t)—t時(shí)刻梁在x位置的沿y軸方向的絕對(duì)位移;

E—支撐層(銅)的彈性模量;

ρ—支撐層(銅)的密度;

I—支撐層的慣性矩;

A—壓電振子的橫截面積;

L—懸臂梁的長(zhǎng)度;

b—梁的寬度;

h—梁的厚度。

根據(jù)胡克定律可知應(yīng)力為:

壓電片粘合與梁上某處，平均輸出電壓可以由此處的應(yīng)力與壓電電壓常數(shù)g33相乘獲得:

3.2 電磁能量收集實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證壓電振子在電流激勵(lì)下產(chǎn)生電壓，使用一個(gè)次級(jí)短路的變壓器，該變壓器的額定功率為10kVA，最大能承受2500A的電流，一次側(cè)和二次側(cè)的變比約為95，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)測(cè)量一次側(cè)的電流大小，可以推出二次側(cè)母排上通過(guò)的電流，現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

調(diào)節(jié)二次側(cè)的電流逐漸增大，此時(shí)空載輸出也將逐漸增大。但是當(dāng)二次電流繼續(xù)過(guò)大時(shí)，非振動(dòng)方向的磁場(chǎng)逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致末端磁鐵受力不均勻，電壓將出現(xiàn)畸變，此時(shí)的振動(dòng)頻率逐漸偏離壓電振子的固有頻率，輸出減小。另一方面，末端質(zhì)量塊比較大時(shí)，振子的固有頻率很低，只需要不大的電磁力就能迅速的達(dá)到共振狀態(tài)，而且由于質(zhì)量較大，相同的共振條件更不容易大幅度振動(dòng)，這樣應(yīng)力轉(zhuǎn)換成能量的效率就會(huì)更高，充電電流也會(huì)大很多，八塊磁鐵情況下最大值能夠達(dá)到353μA，如圖4所示。

圖3 電磁能量收集實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

圖4 輸出性能與母排電流的關(guān)系曲線

4 電場(chǎng)能量收集技術(shù)

高壓母排附近，金屬導(dǎo)體與地、金屬導(dǎo)體之間都會(huì)形成耦合電容，在高壓作用下就會(huì)產(chǎn)生足夠大的電勢(shì)差，利用耦合電容之間的這個(gè)電勢(shì)差就能給接入其中的負(fù)載供電。因此將母排與薄銅片作為感應(yīng)電場(chǎng)的來(lái)源，并經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)墓芾黼娐泛缶湍苷{(diào)理成可用的直流電壓。

4.1 電場(chǎng)能量收集原理

以JDZX－10單相10kV電壓互感器為研究對(duì)象，當(dāng)原邊電壓為200V，副邊的母排上可產(chǎn)生對(duì)大地10kV的高壓。對(duì)母排進(jìn)行靜電場(chǎng)分析可知在垂直母排的位置上，電壓的分布不是按照線性分布，而是按照類(lèi)似于指數(shù)規(guī)律下降，越接近母排，電壓下降的速度越快，如圖5所示。

可見(jiàn)，放置一銅片位于母排之下，兩個(gè)導(dǎo)體之間就會(huì)有電勢(shì)差，而且會(huì)形成相應(yīng)的耦合電容矩陣，耦合電容可以是平行板電容和分布電容，等效電路如圖6所示。其中C12表示母排與銅片的平行電容，Cg11和Cg22分別表示母排和銅片的對(duì)地分布電容，Cg12表示兩個(gè)地電容之間的耦合電容，外邊框表示“無(wú)限遠(yuǎn)”的地。

圖5 垂直母排方向上的電壓分布

圖6 互感器耦合電容模型圖

對(duì)于平行板電容，電容的計(jì)算比較容易，即:

式中:εr—中間電介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù);

S—兩平行導(dǎo)體正對(duì)面的面積;

k—靜電常數(shù)，9 ×109N·m2/C2;

d—兩極板的垂直距離。

而導(dǎo)體對(duì)地的分布電容計(jì)算則很復(fù)雜，在常規(guī)的實(shí)驗(yàn)條件下很難得到，利用有限元分析卻能提取由于電荷堆積形成的對(duì)地電容矩陣，對(duì)地耦合電容的經(jīng)驗(yàn)值在10pF左右。在此基礎(chǔ)上，Linear公司提供了專(zhuān)門(mén)用于將微小的交流電能轉(zhuǎn)換成直流小電壓的芯片LTC3588，該芯片可用于管理從母排和銅片之間感應(yīng)的耦合電能。

4.2 電場(chǎng)能量收集實(shí)驗(yàn)測(cè)試

電場(chǎng)能量收集的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示，雖然銅片與母排之間的電勢(shì)差并不大，但是整個(gè)系統(tǒng)都處于高壓之下，要對(duì)電場(chǎng)能量收集的性能進(jìn)行測(cè)試，不能用儀器直接測(cè)量，需要建立一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)，在高壓側(cè)采樣超級(jí)電容的電流作為能量收集功率的參考指標(biāo)。

圖7 電場(chǎng)能量收集實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

改變母排或銅片尺寸、改變母排與銅片的距離，都將會(huì)對(duì)充電電流產(chǎn)生影響。隨著銅片與母排的距離增大，在相同電壓下的充電電流會(huì)更大，如圖8(a)所示，這是因?yàn)榕c母排的距離增大意味著銅片與地的距離更近，從而使得對(duì)地耦合電容增大。實(shí)際應(yīng)用中不能將銅片與母排的距離設(shè)得太大，因?yàn)楫?dāng)銅片與地靠得很近時(shí)就必須要考慮工頻電壓下的擊穿特性了，銅片的尖端與互感器不對(duì)稱(chēng)的地之間會(huì)產(chǎn)生尖端放電，研究表明尖端與板的擊穿電壓在2～4.8kV/cm之間。因此在距離為5cm時(shí)電壓超過(guò)8750V就會(huì)產(chǎn)生明顯的放電，這在能量收集應(yīng)用中是不允許的。同樣在距離為10cm時(shí)，實(shí)驗(yàn)的電壓只能上升到7000V。與距離相比，面積對(duì)充電電流的影響則要小得多，而且考慮到智能電器對(duì)監(jiān)測(cè)電路體積的要求，實(shí)際應(yīng)用時(shí)甚至可以選擇很小的銅片來(lái)感應(yīng)電壓，如圖8(b)所示。

圖8 電場(chǎng)能量收集影響因素

5 結(jié)論

能量收集技術(shù)是一種新的電源獲取方法和概念，現(xiàn)在逐漸得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視，因?yàn)槔媚芰渴占@取電能不僅來(lái)源廣泛，而且安裝方便，可以遍布每一個(gè)角落。以往用于電氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的都是高壓側(cè)電源存在許多問(wèn)題，因此對(duì)于更廣泛的電氣應(yīng)用而言需要一種新型的自供電電源，不僅能應(yīng)付節(jié)點(diǎn)供電的需要，而且節(jié)能環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)。實(shí)踐證明，收集的電場(chǎng)能和電磁能至少能提供幾百微安的電流，足夠應(yīng)付低功耗節(jié)點(diǎn)的工作損耗，可見(jiàn)能量收集技術(shù)具有足夠的應(yīng)用價(jià)值。

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