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对于低频率运动中有效发电的可穿戴能量采集器壳结构的研究
关键词
能量采集器 壳结构 织物 可穿戴设备 生物机械能量 人体动作
摘要
本文讨论了由偏氟乙烯膜附着在收获能量从人体运动的壳形状弯曲基质组成灵活的能量采集器。拟议的能量采集机可以有效地实现将机械能转化为电能壳结构的快速状态转型过程。实验表明，壳结构与各种曲率的表面产生高输出的机械能量，因此广泛应用在高输出功率与简单的平面结构中。单壳程结构可以生成一定的输出功率，可以达到3.3 Hz 频率折叠角为80度，功率是0.87毫瓦。此外，与嵌入式压壳结构构件的织物设计作为能量采集机在可穿戴的平台。织物，戴在肘部关节和手指，完成有高输出功率相关的缓慢运动及不规则运动。
介绍
在无处不在的网络环境中，开发和用于生物医学、军事和无线传感器的应用涉及了便携式和可穿戴式电子产品的技术。各行业需要携带和佩戴的小型的，重量轻，低功耗，便捷性好的和具有可移植性地电子设备。一般情况下，便携式和耐磨性能电子设备会使用电池作为动力源。然而，这种电池有几个问题： 他们是太大和太重的，不方便便携设备的应用程序，他们只有有限的使用寿命和使用次数，然后需要定期更换，使用的电池可能导致环境污染。此外，电池技术进展缓慢，这和便携式 IT 设备在技术上取得巨大进步的实际情况发生冲突。为解决这些问题，替代或可再生能源和自供电的电子产品成为研究方向，广泛研究了适用于便携式和可穿戴式电子产品。
能源收获是一个过程，包括从环境废物能源如太阳能、 散热和振动能量中生成有用的电能。因为当前的技术趋势的便携式和可穿戴式电子产品是低功耗，能量收集设备已经被认为是这种低功率器的新动力源。各种环境能量源，机械能之间 — — 如 加速、 位移、 振动和运动 — — 通常可以利用压电效应或者静电和电磁传感机制转换成电能。尤其是摆臂、 拉伸、 手部运动和行走等人体运动研究了作为相当的力学能量来源可穿戴或身体植入式电子系统或设备。因为这项方案特点是由一个较大的移动距离，它具有与有关的时间、 地点或环境情况没有任何约束的特点。
在结构设计和材料的发展方面的各种技术已经报道了一些从人体运动有效收获电能的案例。比如嵌入鞋的发电机由 Kymissis 等人提出了。在他们的研究中，聚偏氟乙烯 (pvdf) 壁和压电铅济尔-复合钛 (PZT) 圆盘插入脚跟，行走运动就会产生电力。最近，一种新的压电聚合物被报道，通过在鞋中嵌入能量采集器，可以解决尺寸过大和耐久性不足等问题。能量采集背包作为一种方便的能量采集技术，在户外活动时被提出。此方法要求大的外部负载，和小距离移动。虽然这个技术使用时存在着低输出功率和缺乏集成技术的问题。发电可以从手指的肌肉运动和仓鼠用透射电镜单丝发电机的运动来产生。在以前的报告所示，生物力学能量被认为是便携式和无线半永久性的能量来源，因为人体运动的特点是有大型的移动距离和足够高的力量。
然而，高效生物力学能量采集器在可穿戴的平台的发展是非常困难的，因为人体运动是非常缓慢而不规则。要解决这些问题，在这项工作，我们可以通过使从人类慢动作快速过渡到在壳体结构种产生高功率的压电聚合物，进而实现了灵活的能量采集器。
2 原理
压电材料已被广泛用于能源来源，因为它们从机械运动生成电能而没有外部电源。高输出电压、 高转换效率和简单的设计是这些材料的其他优点。几种类型的压电能量采集器有报道，包括那些悬臂梁结构和双稳态结构。
然而，这些大多不适合从人体运动变化多端的随机以及缓慢运动获取能源，因为它们专为高频率的周期性运动设计。当压电材料是机械变形时，电荷被诱导其表面按照下列公式︰
D= dT isin; ε (1)
其中 D 是电位移、 d 是压电系数，T 为应力、 isin; 是压电陶瓷材料的介电常数，ε 是电场。假设应力和应变之间的线性关系，总的感应的电荷可以表示为
Q = dEA l/l0 (2)
Q 为总的感应的电荷，E 是杨氏模量，A 是表面积，l 0为压电材料的初始的微分长度。我们将忽略对应变电场的影响。输出电流和电压电阻性负载可通过下式展示︰
（3）
在那里I是电流、 V 为输出电压，和 RL是负载电阻。此外，能量公式可以写成如下：
（4）
其中 C 是压电层电容， t 是其厚度。（3） 及 (4) 表明，快速变形的压电材料是需要增加电流和电压的。此外，大应变是重要的能量产生大量的电能和高输出功率的前提条件，是能量的式 (4) 给出的结论。因此，我们提出了意在诱使大应变，快速转型，并因此高输出电压的材料—— pvdf 压电薄膜，以及可以符合人类慢动作预应力的壳结构。壳结构可以使快速过渡之间的初始状态和弯曲状态时正常的弯曲运动。图 1 （a） 显示拟议的壳结构设备，组成的聚偏氟乙烯层附着一层弯曲的聚合物膜。壳结构保留它的形状，并在其初始状态没有电压。这有助于提高能源效率，因为电力能源取自于应变是背包的一部分的 PVDF 肩带的运动。近年来，各种能源收获方法不断出现，比如使用柔性材料利用纳米线来作为可能的能源辅助来源。氧化锌纳米材料的光纤从低频率壳结构生成电能，这部分电能能够实现初始状态到阈值点的弯曲力折叠状态的快速过渡。
图1 (a)壳结构装置的示意图，描述了初始状态和折叠态。(b)压电壳结构的横截面视图。(c)放大的部分横截面。
然后，应用聚偏氟乙烯层的结构产生拉应力，在快速转型过程中产生高输出电压。在伸展运动，壳结构使得快速过渡到它的初始状态，再次产生高输出电压。反复折叠和展开运动，壳结构设备机械能转化为有效的电能，尽管有着不平顺和缓慢的运动。图 1 （b） 示意图剖视图中显示壳结构的参数。曲率的外壳是由下面的等式定义的：
K=1/r asymp; 8h/(w^2 4h^2) (5)
K 是层压板的曲率，r 是半径的曲率，而 w 和 h 宽度并且分别为中心高度。对于压电层压薄膜层，显示在图 1（c），应变矢量 {S} 是用来表示
{S}= {S 0} z{k} (6)
在哪里 {S 0} 中平面应变，{k} 是中间平面曲率，z 方向垂直于膜表面中的距离变量。如果在一个给定的平面各向同性压电性能，可以从方程 (1) 确定压电壳结构的电气位移为
D shell =d 31 {1 1 0}{S }
若要查找电荷诱导的盒式压电线壳结构形状过渡，我们应该知道电位移之前和之后过渡 (图 1(a))。但是，转型后的电位移是微不足道的，因为在横向方向曲率变化在折叠状态和纵向方向中的曲率是从非常小的状态缩减到初始壳曲率。因此，感应的电荷可以通过集成电位移交由式 (7) 的表面变形状态过渡期间获得。
(7)
其中 Zm 是从中间平面的壳薄膜压电层的中点到表面的距离。上述方程表明，感应的电荷，因此生成的能量是壳结构的初始曲率成正比。
3.制备
原型壳结构装置是用聚酯薄膜和 pvdf 压电薄膜制造的。聚酯薄膜厚度为 127 微米,分别切成正方形块长度与宽度 30毫米 和 6 毫米。此外，110 毫米厚的特别测量的 pvdf 压电薄膜与金属电极上双方都分别准备在一个矩形的形状，长度和宽度是 20 毫米和 2 毫米。图 2 （a） 显示了用于实现壳曲率的聚酯膜的制造过程示意图视图。首先，聚酯膜滚围绕一根金属棒，用耐热胶带固定杆。接下来，聚酯膜是3分钟150摄氏度热处理在聚酯胶片的曲率，这取决于核心杆的半径。在这项工作，我们用四个不同半径的金属棒，这导致四个不同曲率的壳结构。表 1 列出了装配式贝壳结构的曲率和应变的计算由式 (6) 压电层。后去除金属杆的聚脂薄膜，我们测量曲率，发现它是非常相似的目标值与误差相当的小。
最后，pvdf 压电薄膜的一侧被附加到聚酯膜凹表面，使用丙烯酸酯弹性胶粘剂。在此步骤中，pvdf 压电薄膜被定位这样正电压已发电的上表面压应力应用时，如图 1 （c） 所示。图 2 （b） 显示一张照片的装配式的原型器件与曲率的 0、 200、 500 （m-1）。样本具有初始曲率 0 （m-1），代表平板试样，从而制得性能来进行比较。
图2 (a)制作方法的示意图。(b)原型设备的照片。
4．实验
4.1图 3 （a） 的表现的折叠与去折叠的实验的实验设置
弯曲力被应用到壳结构后，被安装在自定义设计的线性系统。驱动系统组成的一个直线运动步进电机 （MDrivePlus23，施耐德电气运动），使用的移动距离、 速度和加速度等参数，都可以精确控制。在折叠和展开的运动中，首先，我们测量为带有不同的曲率的开路电压，如表 1 中所列的五个准备的壳结构。
表1压电层的壳结构曲率和应变
|
壳曲率 k(m minus;1 ) |
张力S (%) |
|
0 |
0 |
|
200 |
2.36 |
|
300 |
3.54 |
|
400 |
4.72 |
|
500 |
5.90 |
图3 (a)实验装置。(b)利用电压产生的电压波形产生的的结构。
另外，测量各种角速度或折叠频率有的角速度和移动距离的升幅。对壳体结构，输出电压是和角速度成正比的。最大输出电压测量得到超过 65 V， 和展开操作
图4 反复弯曲的各种角速度的输出电压伸展运动 (a)40°(b)60°(c)80°。
分别测试 2 卷/秒 最大的卷曲速率或角速度大约是10 rad/s 。图 3 （b） 显示了输出电压的波形生成采用壳结构具有 500 （m-1） 曲率和使用的平面结构中。折叠与去折叠频率为 2 Hz，为这两种样品 80°折叠角。生成的电压的极性是由 pvdf 压电薄膜应变方向的改变来决定的。在这个实验，负电压峰值期间从展开状态过渡到折叠状态观察，因为拉伸应变诱导在 pvdf 压电薄膜在此操作期间，从而得到了电压测量过程中展开的过渡状态。
结果表明，在相同条件下的平面结构中，因为壳结构产生快速过渡之间两个状态，甚至以小位移和缓慢弯曲速度的情况下得到更高的输出电压。
图 4 显示了各种角速度重复弯曲和伸展的运动，被应用于结构构件与折叠 40°、 60°及 80°角度时的输出电压。电压图绘制 1 分钟从三个不同的设备，每个曲率实验，利用峰值电压的平均值来得到。在所有情况下，壳结构相比于平板形结构产生更高的输出电压。扁平结构的峰值输出电压小于 10 V，，并在折叠和展开频率 3.3 Hz 的折叠角大于 300（m-1）曲率的电压中几乎没有增加，壳曲率时图 4 （c） 所示。此外，壳结构输出电压略有依赖壳曲率的特点，折叠角 40°和 60°，但对其输出电压的增加饱和的临界曲率在 300（m-1）曲率80°折叠角的时候产生。
图5 测量的输出功率为3。9度/s的不同电阻的角速度负载
开放电路测量各种电阻性负载可以来确定最大的输出功和优化设计的壳结构的最优负荷值，如图 5所示。
峰值电压是每个电阻性负载电压测出的 5 倍。操作条件是 80°折叠角和 3.3 Hz频率，对应于 9.3 rad/s 角速度折叠与去折叠频率。这次实验的结果表明，最佳负载电阻 90 k欧姆壳结构与曲率 500 （m-1）。最大输出功率，单壳体结构是 0.87 mW （功率密度的 2.18 毫瓦/平方厘米），这是要远远大于平面结构 （26微瓦）在相同的条件的表现。在这个实验中，制造的壳结构的耐久性也有人通过测量输出电压为反复折叠和展开运动来得到了考验。
图6 (a)用压电壳结构嵌入的织物的概念图。(b)用在肘关节和手指上的织物的照片。
输出电压逐渐降低后，经过 50 个重复操作变成了其初始值的 50%。这种退化主要是因为减少的曲率和从 pvdf 压电薄膜中剥皮的金属电极经过反复折叠和展开行运动所造成的。一些金属，如铬和钛作用于聚偏氟乙烯和金属电极之间的粘合层时应考虑提高附着力。此外，壳装置的结构修饰可以使用一种不同的衬底材料形状记忆合金材料等，应作为今后的工作，未来可以对提高耐久性的设备进行研究。
4.2.织物具有压电壳结构
图 6 嵌入的表现通过嵌入压壳结构制备的面料摄影和概念视图。织物是缝合并适合人类的身体。然后在此基础上的并行连接结构，壳结构构件被插入到由拼接面料形成的路径在并行连接结构。在这个实验中，我们准备对三名实验者戴在手指上和肘关节的三种织物进行试验。每三个面料有不同壳曲率，即 0 、 200 或 500 （m-1）。聚偏氟乙烯结构嵌入在织物中的数量分别是十个手指和四个肘关节。面料佩带在肘关节和指关节，实现输出电压测量中的弯曲和伸展运动。用于实验的数据是从三个不同的设备，每个曲率实验 1 分钟平均值的实验。而移动角度分别固定在 130°和 70°时的肘、 手指的运动，在折叠和展开频率测量输出电压的数值。
在单壳程试验的情况下，输出电压成正比于壳曲率和移动速度。在这织物实验中，我们还测量了连接电阻性负载后的输出功率。最大输出功率为当使用织物嵌有壳的曲率 500 （m-1），穿上肘为 0.21 mW （功率密度 0.05 毫瓦/平方厘米） 为 90 k 欧姆电阻性负载和 5 rad/s 弯曲速度时取得。此值是 40 倍于生成织物的压电结构 (约 5.4微瓦) 的输出功率。
5 结论
为有效
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