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)的進步，小型化、低功耗成為了電路系統(tǒng)的趨勢，另一方面，電氣應(yīng)用中所需的傳感節(jié)點大多數(shù)處于高電壓、強磁場的環(huán)境中，其絕熱、絕緣和電磁干擾等問題成為節(jié)點供電電源所需克服的問題［1］。使用鋰電池曾經(jīng)是一種很好的方式，然而盡管電池的儲能密度和使用壽命不斷的提高，仍無法解決體積大、壽命有限等問題。環(huán)境中能量雖然微小，但取之不盡，加上所需的電能調(diào)理電路元件簡單、體積小，是電氣在線監(jiān)測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)用將會越來越廣泛。

能量收集器能夠提取電氣環(huán)境下的電場能和磁場能，這些能量是不連續(xù)的，只有經(jīng)過調(diào)理后才能轉(zhuǎn)換成可用的直流電壓供傳感節(jié)點使用，或者給二次儲能元件例如超級電容充電。能量收集的關(guān)鍵是在考慮輸出阻抗匹配的前提下設(shè)計合適的變換及儲能電路，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，電場能和電磁能是無處不在的兩種能量，充分收集這部分能量就能夠使處于其中的傳感節(jié)點具備自供電能力，長時間免維護的工作，使得大范圍的無線傳感分布式網(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)測問題，高壓傳輸線的能量收集器［2］，他們在150kV的高壓下收集到了近200mW的能量，這個實驗激發(fā)了人們對于電場能量收集的探索。美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家Kymssis設(shè)計了基于PVDF材料的沖擊式壓電裝置［3］，其峰值電能能夠達到80mW，點亮了基于壓電效應(yīng)的電磁能量收集的新思路。

利用環(huán)境能量給無線傳感節(jié)點供電，使其具備自適應(yīng)的在線監(jiān)測功能，一直以來是能量收集技術(shù)在電氣中應(yīng)用的思路。節(jié)點工作時處于休眠、輪詢、發(fā)射、接收的循環(huán)中［4］。雖然在輪詢和發(fā)射需要消耗的能量很大，但是持續(xù)的時間很短，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)點的消耗，如圖1所示。

圖1 能量收集與損耗對比曲線

無論是電場能還是電磁能，在收集過程中都要面臨不連續(xù)且非常微弱的難題，一度限制了其進一步的應(yīng)用。美國賓夕法尼亞州大學(xué)科學(xué)家 Ottman設(shè)計了包括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，那么對放入其中的磁鐵就會有電磁力的作用，當(dāng)電流的方向改變時，磁場的方向也會改變，從而形成振動，當(dāng)帶上具有正壓電效應(yīng)的壓電陶瓷后，就會使其輸出電壓，電磁能量收集就是基于這個原理展開的。

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，空間將會產(chǎn)生極性不斷變化的磁場，并對處于其中的磁鐵產(chǎn)生電磁力的作用。磁鐵帶動懸臂梁和壓電雙晶片振動，而每個壓電陶瓷上下兩個極面都覆蓋有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到最大［5］。

圖2 懸臂梁式電磁發(fā)電的機電模型

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

式中:y(x，t)—t時刻梁在x位置的沿y軸方向的絕對位移;

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 電磁能量收集實驗測試

為了驗證壓電振子在電流激勵下產(chǎn)生電壓，使用一個次級短路的變壓器，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，實驗時通過測量一次側(cè)的電流大小，可以推出二次側(cè)母排上通過的電流，現(xiàn)場如圖3所示。

調(diào)節(jié)二次側(cè)的電流逐漸增大，此時空載輸出也將逐漸增大。但是當(dāng)二次電流繼續(xù)過大時，非振動方向的磁場逐漸增強，導(dǎo)致末端磁鐵受力不均勻，電壓將出現(xiàn)畸變，此時的振動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，振子的固有頻率很低，只需要不大的電磁力就能迅速的達到共振狀態(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，這樣應(yīng)力轉(zhuǎn)換成能量的效率就會更高，充電電流也會大很多，八塊磁鐵情況下最大值能夠達到353μA，如圖4所示。

圖3 電磁能量收集實驗現(xiàn)場圖

圖4 輸出性能與母排電流的關(guān)系曲線

4 電場能量收集技術(shù)

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

4.1 電場能量收集原理

以JDZX－10單相10kV電壓互感器為研究對象，當(dāng)原邊電壓為200V，副邊的母排上可產(chǎn)生對大地10kV的高壓。對母排進行靜電場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，放置一銅片位于母排之下，兩個導(dǎo)體之間就會有電勢差，而且會形成相應(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地分布電容，Cg12表示兩個地電容之間的耦合電容，外邊框表示“無限遠”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

對于平行板電容，電容的計算比較容易，即:

式中:εr—中間電介質(zhì)的相對介電系數(shù);

S—兩平行導(dǎo)體正對面的面積;

k—靜電常數(shù)，9 ×109N·m2/C2;

d—兩極板的垂直距離。

而導(dǎo)體對地的分布電容計算則很復(fù)雜，在常規(guī)的實驗條件下很難得到，利用有限元分析卻能提取由于電荷堆積形成的對地電容矩陣，對地耦合電容的經(jīng)驗值在10pF左右。在此基礎(chǔ)上，Linear公司提供了專門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 電場能量收集實驗測試

電場能量收集的實驗現(xiàn)場如圖7所示，雖然銅片與母排之間的電勢差并不大，但是整個系統(tǒng)都處于高壓之下，要對電場能量收集的性能進行測試，不能用儀器直接測量，需要建立一個無線通信系統(tǒng)，在高壓側(cè)采樣超級電容的電流作為能量收集功率的參考指標。

圖7 電場能量收集實驗現(xiàn)場

改變母排或銅片尺寸、改變母排與銅片的距離，都將會對充電電流產(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更大，如圖8(a)所示，這是因為與母排的距離增大意味著銅片與地的距離更近，從而使得對地耦合電容增大。實際應(yīng)用中不能將銅片與母排的距離設(shè)得太大，因為當(dāng)銅片與地靠得很近時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稱的地之間會產(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時電壓超過8750V就會產(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，實驗的電壓只能上升到7000V。與距離相比，面積對充電電流的影響則要小得多，而且考慮到智能電器對監(jiān)測電路體積的要求，實際應(yīng)用時甚至可以選擇很小的銅片來感應(yīng)電壓，如圖8(b)所示。

圖8 電場能量收集影響因素

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)在逐漸得到了國內(nèi)外學(xué)者的重視，因為利用能量收集獲取電能不僅來源廣泛，而且安裝方便，可以遍布每一個角落。以往用于電氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的都是高壓側(cè)電源存在許多問題，因此對于更廣泛的電氣應(yīng)用而言需要一種新型的自供電電源，不僅能應(yīng)付節(jié)點供電的需要，而且節(jié)能環(huán)保、使用壽命長。實踐證明，收集的電場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)點的工作損耗，可見能量收集技術(shù)具有足夠的應(yīng)用價值。

［1］李泰軍，肖成鋼，王章啟.開關(guān)柜母線溫度的在線監(jiān)測［J］.高壓電器，2001，37(3):61 －63.

［2］Hubert Zangl.Thomas Bretterklieber，Georg Brasseur.A Feasibility Study on Autonomous Online Condition Monitoring of High-Voltage Overhead Power Lines.Proc.IEEE，2001，148(45):68 －72.

［3］萬加桔.壓電式振動能量采集器研究［D］.南昌:南昌大學(xué)，2010.

［4］沙山克·普里亞，丹尼爾·茵曼.能量收集技術(shù)［M］.南京:東南大學(xué)出版社，2011.

［5］佟剛.壓電發(fā)電及自供能裝置的研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2007.