智能电网监测利器：高性能抗干扰压电能量采集系统

南方科技大学深港微电子学院汪飞课题组的研究团队最近在《Renewable Energy》2024年第221卷发表了一篇题为“High-performance piezoelectric energy harvesting system with anti-interference capability for smart grid monitoring”的论文。该研究聚焦于一种具备抗干扰能力的压电能量采集器，主要应用在输电线上，通过磁场耦合原理实现能量的高效收集。为了优化空间利用率和设备稳定性，研究团队设计了三个压电能量采集器，使设备能够在外部干扰存在的情况下围绕输电线自由旋转。这种配置不仅确保了设备在外部振动或晃动的情况下仍能保持稳定运行，而且在严重外部干扰的情况下，能量采集器依然能够提供高性能的输出。这项研究的成果对于智能电网监测具有重要意义，为实现可靠的能量收集和传感器供电提供了创新的解决方案。         

背景介绍

近年来，随着微电子机械系统 (MEMS) 技术的推广，无线传感器网络 (WSNs) 备受瞩目，推动了智能传感器的蓬勃发展。WSNs在环境监测、医疗管理和智能城市等领域大量应用，得益于其灵活布局、低成本和高稳定性等优势。WSNs由大量静态传感器节点组成，通过短程无线链接进行通信。然而，传感器节点通常依赖有限能量存储的电池供电，而在崎岖地形的部署和极端天气条件下，电池充电困难，可能引发环境问题。同时，WSNs上运行的应用要求传感器节点能够稳定运行数月甚至数年，因此，为节点提供持续电源并确保其不间断运行成为一项挑战。

为解决传感器节点电源供应问题，研究人员提出将环境能源作为传感器节点的替代能源，通过从周围环境中获取能量来实现可持续电源供应。相比传统电池，环境能源具有清洁和可再生的优势。其中，虽然振动能源在环境中普遍存在且易于获取，但由于振动源频率随机，导致振动能量采集器输出不稳定。在智能电网监测系统中，通过电磁耦合，可以利用靠近输电线的50 Hz交变磁场产生稳定的振动能量，为附近无线传感器节点提供可靠电源。然而，目前大多数研究主要侧重于优化能量采集器的磁铁排列和振动模式，且研究结果受限于实验室环境。鲜有研究探讨这些设备在外部随机振动干扰下的性能，如强风引起的输电线摇摆可能改变最佳相对位置，从而降低采集器的输出。   

为了提高能量采集器输出性能，确保在外部干扰下稳定运行，我们提出了一种抗干扰压电能量采集装置，能够从电力线周围磁场中捕获能量，如图1所示。此外，通过设计三个压电悬臂结构，充分利用磁体相互作用，优化了能量收集效率。

图1 (a) 抗干扰能量收集装置应用场景及三维原理图; (b) 能量采集器的工作原理: 压电悬臂梁自由端的磁铁与导线周围的交变磁场耦合，引起梁的振动，产生电压输出。

本文亮点  

1. 采用频率补偿技术解决磁力的不良影响

2. 在摇晃干扰下，装置保持稳定可靠的输出

3. 从靠近输电线的磁场中获取的能量足以满足无线传感器的需求  

结果分析与讨论  

我们首先进行了压电悬臂梁结构、磁场耦合原理和能量转换机制的理论分析。结果显示，磁铁间的相互作用导致了在三个悬臂梁结构配置下，除了振动方向的力之外，还存在轴向载荷力。这种轴向力使得每个悬臂梁的固有频率降低。为了验证理论分析的准确性，我们运用COMSOL仿真软件进行了模拟，获得了与理论分析相一致的结果，为后续实验设计提供了重要参考。随后，我们通过一系列实验验证了理论分析和仿真模拟的结果。首先验证了磁铁对压电悬臂梁固有频率的影响。结果显示，磁铁间的相互影响使得悬臂梁的固有频率偏离激励频率(50Hz)，从而导致输出电压降低，如图2所示。实验结果与之前的理论和仿真模拟结果一致。经过频率补偿后，即使在磁铁相互影响下，固有频率也能与激励频率匹配，实现了最佳的能量输出，最高输出功率为272.91μW，如图3所示。   

图2 能量收集器在分离和组装模式下的性能比较

图3 三个能力采集器的输出功率随负载电阻的变化

图4 能量采集器的抗干扰测试

接着，我们进行了振动干扰测试，评估能量采集器在外部干扰条件下的表现，如图4所示。在无外界干扰的情况下，能量采集器呈现平稳的输出电压波形，输出电压均方根值（Vrms）为9.34 V。当受到随机加速度（均方根值为8.16 m/s²）的振动干扰时，输出电压波形出现波动。然而，在干扰的情况下，其输出电压均方根值Vrms为9.31 V，与无干扰时极为接近，证明了能量收集装置具备抗干扰的能力。   

应用展示  

最后，我们将所研发的器件应用于智能电网监测系统中的温湿度传感器供电，如图5所示。能量收集器将输电线周围的磁场能量转换为电能，经整流电路输出直流电源，供能源管理系统使用。该系统包括能量管理模块（LTC 3588）和470 μF储能电容器，用于存储电能并控制后端负载电路的连接和断开。温湿度无线传感器采用商用温湿度无线传感器，用于监测输电线附近的温湿度变化，并将数据传输至附近的网关。最后，网关将数据传送至智能手机进行数据接收。   

图5 自供电温湿度传感系统原理图和实物图

从图6可以看出，经过初始29.6秒的充电，储能电容的电压达到5.12 V。随后开始放电，为无线温湿度传感器供能。在初始充放电后，储能电容只需约9秒充电时间，即可再次放电，为传感器供能。因此，无线温湿度传感器每9秒向附近的网关传输一次数据。此外，对8次记录的温度和湿度数据显示，传感器能及时检测到外部环境的变化。这为监测和警报输电线附近的极端天气条件提供了可行的解决方案。    

图6 自供电温湿度传感系统的应用演示

汪飞课题组近年来研究重点围绕微纳能量收集技术以及用于环境及人体健康监测的微纳传感器等，已出版英文专著3章节，累计发表学术论文200余篇，其中SCI期刊论文110余篇(3篇封面，1篇ESI高被引论文)，包括Applied Energy、IEEE EDL、Sensor and Actuators A&B、J.MEMS、JMM等领域一流期刊。汪飞教授2020年被推选为微纳传感器领域顶级国际会议Transducers 2021执行委员会委员（大陆仅两名），2019年获得IEEE MEMS 2020会议邀请报告（全球8名，大陆唯一）。课题组研究工作长期获得了国家自然科学基金、广东省自然科学杰出青年基金、深圳市科创委及南山区等各项经费支持。   

审核编辑：黄飞