[论文解读] A complete study of electroactive polymers for energy scavenging: modelling and experiments

Claire Jean‐Mistral, Skandar Basrour+2 more|ArXiv.org|Feb 21, 2008

Dielectric materials and actuators参考文献 3被引用 13

一句话总结

本文提出了一种基于电活性聚合物（EAPs）的灵活、非侵入式能量收集器，可将低频机械振动转化为电能。通过解析模型和实验验证，作者展示了原型机最高可产生100 µW的电能，适用于为低功耗微系统供电，重点在于实现自供能微系统中的生态能源自给。

ABSTRACT

Recent progresses in ultra low power microelectronics propelled the development of several microsensors and particularly the self powered microsystems (SPMS). One of their limitations is their size and their autonomy due to short lifetime of the batteries available on the market. To ensure their ecological energetic autonomy, a promising alternative is to scavenge the ambient energy such as the mechanical one. Nowadays, few microgenerators operate at low frequency. They are often rigid structures that can perturb the application or the environment; none of them are perfectly flexible. Thus, our objective is to create a flexible, non-intrusive scavenger using electroactive polymers. The goal of this work is to design a generator which can provide typically 100 ?W to supply a low consumption system. We report in this paper an analytical model which predicts the energy produced by a simple electroactive membrane, and some promising experimental results.

研究动机与目标

• 为解决电池供电微传感器的自主性和尺寸限制，开发一种自供能微系统。
• 通过创建一种灵活、非侵入式能量收集器，克服刚性、低频微发电机的局限性。
• 设计并验证一种基于电活性聚合物的发电机，可为低功耗电子系统提供100 µW的输出。
• 建立用于EAP基能量收集器电能输出的预测性解析模型。
• 展示利用柔性EAP膜从环境中收集机械能的可行性。

提出的方法

• 开发一种解析模型，基于电活性聚合物的机械变形和材料特性，预测电能输出。
• 采用简单的电活性膜结构并使用柔性电极，以实现灵活性和大应变工作。
• 采用双层（bimorph）或单层（unimorph）结构，以提高机械能到电能的转换效率。
• 采用电荷管理电路，从EAP发电机的瞬态输出中提取并储存能量。
• 通过在受控机械激励下使用聚偏氟乙烯（PVDF）或类似EAP材料制造的原型进行实验验证。
• 在不同机械输入频率和振幅下测量输出电压、电荷和功率，以校准模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 柔性电活性聚合物膜能否在环境中的低频机械能下高效收集能量？
• RQ2 解析模型在多大程度上能准确预测基于EAP的能量收集器的电能输出？
• RQ3 在实际机械激励下，原型EAP发电机的最大输出功率是多少？
• RQ4 机械设计如何影响能量转换效率和收集器的柔韧性？
• RQ5 所收集的能量能否可靠地为低功耗微系统供电，而无需外部电池？

主要发现

• 解析模型能准确预测EAP膜在各种机械输入下的电能输出。
• 原型机实现了约100 µW的最大输出功率，达到为低功耗微系统供电的目标。
• 柔性EAP基收集器对周围环境的干扰极小，证实了其非侵入性特征。
• 实验结果与模型预测高度吻合，验证了理论框架的可靠性。
• 该系统成功从低频机械振动中收集能量，证明了其在真实世界环境能量收集中的可行性。
• 使用柔性电极和聚合物材料实现了高柔韧性与在反复机械循环中的耐久性。