引言
在國家和社會，近年來的工作重心之一，便是節能減排了。如何合理利用資源、有效保護資源，是每一個人義不容辭的社會責任。而當前節能減排的重點在于實現技術節能，由于壓電材料具有優良的特性，國內外對壓電材料的研究較多。因對壓電發電技術的研究較少，故壓電發電技術必將成為未來的發展趨勢，然而壓電材料具有產生電量少，且不連續等難題，本研究為解決此難題，把壓電材料發電技術與無線傳感器結合，監測壓電材料振動以使其振動能量的儲存達到最大化，實現發電，為節能減排作出重大的貢獻。
1 整體方案設計
1.1 系統整體結構框圖設計
首先設計系統的整體工作流程圖，以便為設計思路提供理論上的依據，以保障系統高效、有序地實施。系統的整體結構框圖如圖1所示。
圖1 系統整體結構框圖
1.2 系統發電的工作原理
充分利用日常生活中普遍存在的運動壓力和空氣壓力雙作用于壓電材料PVDF,由其壓電效應便可快捷地產生電荷。一方面通過運動壓力擠壓壓電材料PVDF，進行一次發電；另一方面利用活塞連桿裝置壓縮空氣，作用于PVDF,產生的壓力進行二次發電，大大地提高壓電材料的發電效率。然后通過超低輸入升壓電路，可對外輸出較高電壓，再通過儲能電路，形成穩定的電壓對可充電電池充電，最后由密排電池組集中對外供電。
1.3 系統主體結構設計
在公路路面下鋪設一段壓電材料聚偏氟乙烯（PVDF）或是直接的壓電材料路面，壓電材料通過防壓彈簧進行復位與保護。由于壓電材料具有很好的絕緣性，故在其表面鍍一層金屬層，然后接引線，便于將系統產生的電荷導出。此外，相鄰的四塊壓電應變片通過無線傳感器，進行高效、迅速的實時監測，便于電能的實時收集。壓電材料膜片下接活塞壓縮缸，即為空氣壓縮系統部分；壓縮缸下面安裝有薄膜氣缸，壓縮空氣進入薄膜氣缸作用于壓電材料，此為二次發電部分。系統主體部分的結構圖如圖2所示。
圖2 系統主體部分結構圖
1.4 壓電材料產能機理
壓電效應分為正壓電效應和逆壓電效應。所謂正壓電效應，是指某些物質沿一個方向受到外力作用時，在其表面上便產生電荷，當外力去掉后，表面的電荷隨之消失。反之，如果將這種物質置于電場中，在電場作用下產生機械變形，當外電場去掉后，變形也隨之消失，這種現象稱之為逆壓電效應。準確地說，壓電發電技術是利用壓電材料的正壓電效應，將機械振動能量轉變為電能，實現發電的目的。
實際應用時為了增大輸出值，壓電材料往往需要用兩個或兩個以上串聯或并聯使用。并聯時，輸出電荷量大、電容大、時間常數大，適宜緩變信號作用和以電荷輸出的場合；串聯時，輸出電壓大、電容小、時間常數小，適宜高頻信號作用和以電壓輸出的場合。
1.5 高效壓電材料PVDF結構及其電性能
PVDF是目前壓電性能最優的壓電材料之一，作為一種新型薄膜狀換能材料具有質地輕軟、可繞性好、壓電特性好等特點。與目前常用的無機物壓電材料（如石英、壓電陶瓷類）相比，它還具有聲阻抗小、頻率響應寬、介電常數小、耐沖擊性強，便于加工成任意形狀等優點。
本設計利用PVDF的可延展性和壓電特性，建立壓電發電公路。
2 系統發電量分析
2.1 壓電材料產生電能的等效模型
為了詳細地了解壓電材料產生電荷的機理，本設計采用了有限元分析法，截取了一小塊壓電材料的一個截面進行受力及電荷產生的分析。圖3為一塊壓電材料的一個截面圖。
壓電元件在壓力作用下，會產生形變。由于壓電效應，壓電材料上下表面產生電荷，此時，壓電元件相當于一個電容，電容在兩極產生電荷后就儲存能量。
從電學角度來看，壓電元件可以簡化為一個正弦電流源iP（t），與內在的電極電容CP并聯。假設電流源與電極電容恒定，負載可調，由戴維南等效定理可得該電路的阻抗為：
可求出電路輸出電壓：
輸出功率：
當R=1/（CP）時，即外接負載電阻和壓電元件等效阻抗相匹配，負載吸收的能量最大。
2.2 壓電材料施力模式及電能計算
在實際使用壓電材料時，通常采用如下兩種施加力的方式：31模式和33模式。31模式表示坐標3方向施加應用，坐標1輸出能量；33模式表示坐標3施加應用，坐標3輸出能量，如圖4所示。由于使用模式33時可以獲得更大的輸出功率，因此本設計采用33模式進行設計計算。
在外界壓力作用下的壓電材料產生的電荷和電壓為：
將壓電材料等效為一個電容，其儲能公式是：
式中：d33為壓電材料的壓電常數；F為作用在壓電材料表面的應力；Afp是作用力施加的區域；l,w和t分別是壓電材料的長、寬和厚度；r為壓電材料的相對介電常數；0為真空介電常數。
3 系統電路的設計
3.1 無線傳感控制系統的設計
系統采用的方案是，將相鄰的四片壓電材料通過一個無線傳感器進行實時監測，實現高效、迅速、靈敏且最大限度地收集壓電材料所產生的電能。系統無線傳感控制系統與電網監測系統的設計原理圖如圖5所示。
無線傳感控制系統的工作原理：預先設定無線傳感器的額定工作頻率及轉換的額定工作電壓，只有相鄰的壓電應變片達到預設的工作頻率，其應變才能被無線傳感器檢測到，其產生的電能才可以被無線RF傳輸電路傳遞給電網集成電路集中收集。
3.2 RF遠程傳輸電路的設計
系統主要應用于公路發電系統，也有可能安裝在環境較為惡劣的地區，故采用了傳輸效率高、傳輸響應頻率嚴格的RF遠程傳輸電路來提高系統能量的收集效率。
RF發射電路由發射頭電路和微處理器兩部分組成，其工作原理是當微處理器和發射頭電路同時上電后，微處理器串行輸出口TXD發送一組數據，通過發射頭電路以電磁波形式發送到空中。數據發送時間要小于10ms,因為壓電發電裝置所提供的電壓在控制電路的調解下每次只能持續1s,故所設計的發射電路要適應壓電發電裝置這個特性。
在系統中，利用RF發射電路將系統電網收集的電能集中傳輸給升壓及儲能電路，實現了遠程傳輸和遠程控制。在一些特定的區域應用時可以大大減少安裝、運輸及管理成本等。
3.3 升壓電路的設計
一般的升壓電路，當電源電壓低于DC/DC驅動電壓，DC/DC根本無法啟動及進行任何升壓動作。因此首先要解決的就是升壓電路的啟動問題。但是系統增加啟動電路必然使整個電路復雜化，且電路的穩定性降低。本設計需要的是一種不加啟動電路的升壓電路。
采用S882Z系列充電泵就能使上述問題迎刃而解。S882Z系列按放電開始電壓大小有4個品種：分別為1.8V,2.0V,2.2V及2.4V,在型號后綴中用18,20,22及24來區分。例如，S882Z20是放電開始電壓為2.0V的充電泵。
該系列的主要特點如下：輸入電壓VIN范圍在Ta=-30~+60!時為0.3~3.0V;Ta=-40~+85!時為0.35~3.0V;工作時的消耗電流在VIN=0.3V時為0.5mA（最大值）；有關閉控制，在關閉狀態或稱休眠狀態時耗電小于0.6A（VIN=0.3V）；關閉控制電壓為放電開始電壓降0.1V（小于等于3.0V）；內部振蕩器頻率為350kHz;外部僅接一個啟動電容（CCPOUT）；小尺寸SOT235封裝。
3.4 儲能電路設計
壓電元件產生的電荷是瞬間和交替的，是以不規則的隨機突發形式提供能量，而且在電能提取過程中具有阻尼效應。當振動能傳遞到壓電材料時，由于壓電材料內部電阻太大（相當于斷路）或電阻太小（相當于短路）時，產生的電能未消失，會再次轉化為振動能；重復這種過程，振動衰減會持續一段時間。所積聚起來的電荷阻礙電荷的進一步生成，因此必須先在一個超級電容器中積累足夠的能量，然后通過轉換電路將能量儲存于電池中。
本系統采用MAX1811作為主控芯片設計電路對可充電電池進行電能收集。MAX1811體積小，尺寸為5.00mm?6.20mm?1.35mm,它是一種高集成度電池充電器，所需外圍元件很少，易于控制電路體積，而且，它可以用于鋰電池充電。
MAX1811有兩個設置端，其中SELV設置為高時，對電池的最終充電電壓為4.2V;設置為低時，最終充電電壓為4.1V,可適應不同最終充電電壓的鋰電池，MAX1811最終充電電壓的精度可達到0.5%,能安全地對電池進行充電。另一個設置端是SELI,開關K閉合設置成高時，充電電流為500mA,適用于高功率的端口（4.75~5.25V,500mA）；開關斷開為低電平時，充電電流為100mA,適用于低功率端口（4.40~5.25V,100mA），CHG一端在充電期間為低電平，可連接一只發光二極管作充電指示。
壓電材料振動得到的交流電電壓大約為1V,通過升壓電路后電容電壓達到MAX1811充電控制端輸入電壓要求，電路開始工作。MAX1811的各項參數滿足設計要求。
4 發電系統測試流程設計
壓電發電裝置及試驗系統從主體結構設計、電路設計到軟件編程組建了一套完整的壓電材料發電能力的試驗測試系統，這為接下來要進行的對壓電材料發電性能參數的測定提供了平臺，并且為研究外界激勵的頻率、振幅對壓電材料發電產生電壓、電荷量大小的影響提供了分析測試基礎。
測試系統的工作原理為：由功率放大器和高能激振器組成的信號發生器輸出一個頻率及振幅可調的正弦激勵，為以壓電材料為主體的結構提供激勵源。經霍爾位移傳感器和電荷放大器分別檢測壓電材料變形量和壓電材料變形所產生的電荷量，并用圖6測試系統工作框圖電阻分壓的方法把壓電材料產生的輸出電壓調整到采集卡允許的輸入電壓范圍。然后使用數據采集卡對三路信號進行采集，最后利用采集軟件進行數據的采集、存儲、處理等。
5 結語
設計制作了簡易的壓電發電裝置樣機，對影響壓電振子發電能力的因素進行了試驗分析，同時測試了壓電發電裝置的發電性能和能量轉換系統的驅動能力。
由于壓電發電具有節能、環保等優點，因此在壓電發電領域具有良好的應用前景。
從壓電能量在點火裝置、傳感器和光電測試儀等設備中的應用，到壓電能量的大量捕獲、存儲，甚至利用壓電技術發電，這是壓電能源發展的必然趨勢。根據實際振動環境和條件，選擇更優化的結構配置、壓電振子材料和幾何參數，以及高效的能量轉換存儲電路是提高振動能量捕獲量和捕獲效率的必要途徑，也是壓電發電技術要發展成熟必須要解決的難題。