智能電網監測利器：高性能抗干擾壓電能量采集系統

南方科技大學深港微電子學院汪飛課題組的研究團隊最近在《Renewable Energy》2024年第221卷發表了一篇題為“High-performance piezoelectric energy harvesting system with anti-interference capability for smart grid monitoring”的論文。該研究聚焦于一種具備抗干擾能力的壓電能量采集器，主要應用在輸電線上，通過磁場耦合原理實現能量的高效收集。為了優化空間利用率和設備穩定性，研究團隊設計了三個壓電能量采集器，使設備能夠在外部干擾存在的情況下圍繞輸電線自由旋轉。這種配置不僅確保了設備在外部振動或晃動的情況下仍能保持穩定運行，而且在嚴重外部干擾的情況下，能量采集器依然能夠提供高性能的輸出。這項研究的成果對于智能電網監測具有重要意義，為實現可靠的能量收集和傳感器供電提供了創新的解決方案。??? ? ? ?

背景介紹

近年來，隨著微電子機械系統 (MEMS) 技術的推廣，無線傳感器網絡 (WSNs) 備受矚目，推動了智能傳感器的蓬勃發展。WSNs在環境監測、醫療管理和智能城市等領域大量應用，得益于其靈活布局、低成本和高穩定性等優勢。WSNs由大量靜態傳感器節點組成，通過短程無線鏈接進行通信。然而，傳感器節點通常依賴有限能量存儲的電池供電，而在崎嶇地形的部署和極端天氣條件下，電池充電困難，可能引發環境問題。同時，WSNs上運行的應用要求傳感器節點能夠穩定運行數月甚至數年，因此，為節點提供持續電源并確保其不間斷運行成為一項挑戰。

為解決傳感器節點電源供應問題，研究人員提出將環境能源作為傳感器節點的替代能源，通過從周圍環境中獲取能量來實現可持續電源供應。相比傳統電池，環境能源具有清潔和可再生的優勢。其中，雖然振動能源在環境中普遍存在且易于獲取，但由于振動源頻率隨機，導致振動能量采集器輸出不穩定。在智能電網監測系統中，通過電磁耦合，可以利用靠近輸電線的50 Hz交變磁場產生穩定的振動能量，為附近無線傳感器節點提供可靠電源。然而，目前大多數研究主要側重于優化能量采集器的磁鐵排列和振動模式，且研究結果受限于實驗室環境。鮮有研究探討這些設備在外部隨機振動干擾下的性能，如強風引起的輸電線搖擺可能改變最佳相對位置，從而降低采集器的輸出。? ?

為了提高能量采集器輸出性能，確保在外部干擾下穩定運行，我們提出了一種抗干擾壓電能量采集裝置，能夠從電力線周圍磁場中捕獲能量，如圖1所示。此外，通過設計三個壓電懸臂結構，充分利用磁體相互作用，優化了能量收集效率。

圖1 (a) 抗干擾能量收集裝置應用場景及三維原理圖; (b) 能量采集器的工作原理: 壓電懸臂梁自由端的磁鐵與導線周圍的交變磁場耦合，引起梁的振動，產生電壓輸出。

本文亮點 ?

1. 采用頻率補償技術解決磁力的不良影響

2. 在搖晃干擾下，裝置保持穩定可靠的輸出

3. 從靠近輸電線的磁場中獲取的能量足以滿足無線傳感器的需求??

結果分析與討論 ?

我們首先進行了壓電懸臂梁結構、磁場耦合原理和能量轉換機制的理論分析。結果顯示，磁鐵間的相互作用導致了在三個懸臂梁結構配置下，除了振動方向的力之外，還存在軸向載荷力。這種軸向力使得每個懸臂梁的固有頻率降低。為了驗證理論分析的準確性，我們運用COMSOL仿真軟件進行了模擬，獲得了與理論分析相一致的結果，為后續實驗設計提供了重要參考。隨后，我們通過一系列實驗驗證了理論分析和仿真模擬的結果。首先驗證了磁鐵對壓電懸臂梁固有頻率的影響。結果顯示，磁鐵間的相互影響使得懸臂梁的固有頻率偏離激勵頻率(50Hz)，從而導致輸出電壓降低，如圖2所示。實驗結果與之前的理論和仿真模擬結果一致。經過頻率補償后，即使在磁鐵相互影響下，固有頻率也能與激勵頻率匹配，實現了最佳的能量輸出，最高輸出功率為272.91μW，如圖3所示。? ?

圖2 能量收集器在分離和組裝模式下的性能比較

圖3 三個能力采集器的輸出功率隨負載電阻的變化

圖4 能量采集器的抗干擾測試

接著，我們進行了振動干擾測試，評估能量采集器在外部干擾條件下的表現，如圖4所示。在無外界干擾的情況下，能量采集器呈現平穩的輸出電壓波形，輸出電壓均方根值（Vrms）為9.34 V。當受到隨機加速度（均方根值為8.16 m/s2）的振動干擾時，輸出電壓波形出現波動。然而，在干擾的情況下，其輸出電壓均方根值Vrms為9.31 V，與無干擾時極為接近，證明了能量收集裝置具備抗干擾的能力。? ?

應用展示 ?

最后，我們將所研發的器件應用于智能電網監測系統中的溫濕度傳感器供電，如圖5所示。能量收集器將輸電線周圍的磁場能量轉換為電能，經整流電路輸出直流電源，供能源管理系統使用。該系統包括能量管理模塊（LTC 3588）和470 μF儲能電容器，用于存儲電能并控制后端負載電路的連接和斷開。溫濕度無線傳感器采用商用溫濕度無線傳感器，用于監測輸電線附近的溫濕度變化，并將數據傳輸至附近的網關。最后，網關將數據傳送至智能手機進行數據接收。? ?

圖5 自供電溫濕度傳感系統原理圖和實物圖

從圖6可以看出，經過初始29.6秒的充電，儲能電容的電壓達到5.12 V。隨后開始放電，為無線溫濕度傳感器供能。在初始充放電后，儲能電容只需約9秒充電時間，即可再次放電，為傳感器供能。因此，無線溫濕度傳感器每9秒向附近的網關傳輸一次數據。此外，對8次記錄的溫度和濕度數據顯示，傳感器能及時檢測到外部環境的變化。這為監測和警報輸電線附近的極端天氣條件提供了可行的解決方案。? ??

圖6 自供電溫濕度傳感系統的應用演示

汪飛課題組近年來研究重點圍繞微納能量收集技術以及用于環境及人體健康監測的微納傳感器等，已出版英文專著3章節，累計發表學術論文200余篇，其中SCI期刊論文110余篇(3篇封面，1篇ESI高被引論文)，包括Applied Energy、IEEE EDL、Sensor and Actuators A&B、J.MEMS、JMM等領域一流期刊。汪飛教授2020年被推選為微納傳感器領域頂級國際會議Transducers 2021執行委員會委員（大陸僅兩名），2019年獲得IEEE MEMS 2020會議邀請報告（全球8名，大陸唯一）。課題組研究工作長期獲得了國家自然科學基金、廣東省自然科學杰出青年基金、深圳市科創委及南山區等各項經費支持。? ?

審核編輯：黃飛

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