自供电智能地板砖设计

用于智能家居能源管理的优化复合压电能量收集地板砖

摘要

智能家居能源管理的一个因素是基于家庭居住者的位置。该位置信息可用于控制各种电气和电子设备及电器。本文提出一种地板砖，可安装于家庭不同位置，当有人踩踏时能够产生足够的能量，将信息无线传输至电器设备。
本研究设计了一种新型压电材料体系0.72Pb(Zr0.47Ti0.53)O3‐0.28Pb[(Zn0.45Ni0.55)1/3Nb2/3]O3+x mol% CuO （PZNxC），并通过组分调控的相界演化来优化其能量收集特性。在能量收集方面，菱方‐四方相界区域表现最佳，具有明显的稳定能量收集优势。当有人踩踏地板砖时，产生的峰值输出电压和电流分别为42V和11 μA。该能量被用于驱动无线传感器节点，从而实时控制家用电器的电源开关功能。

1. 引言

自驱动技术是指利用智能设备使环境具有多功能特性的舒适化技术。
在无线传感器网络（WSN）中，智能设备的供电需要大量能量，而商用电池寿命有限且存在环境危害[1–5]。相比之下，采用传感器自供电技术从周围环境中收集能量，是提供可持续电力的理想解决方案[6–9]。已有许多关于压电能量收集器的研究，用于为无电池的无线传感器节点提供电能[10–15]。由于体积小、成本低且高效采集周围机械能，压电发电机已受到广泛关注。

为了提高压电材料在能量收集中的应用，需要具有高能量密度（u），如以下公式[16]所示。
$$ u = \left( \frac{1}{2} \right) \left( d_{ij} \times g_{ij} \right) \times \left( \frac{F^2}{A} \right) $$
其中 $d_{ij}$ 为压电应变常数，$g_{ij}$ 为压电电压常数，F为施加于压电材料的施加力，A为压电材料的面积。根据公式(1)，压电能量收集材料还需要具有高的转换系数（$d_{ij} \times g_{ij}$）。

通常，悬臂梁型压电能量收集器利用弯曲振动模式进行机电能量转换，所需压电材料的主要参数是能量转换效率（η），可通过以下公式表示：[17]。
$$ \eta = \left( \frac{k_p^2}{1 - k_p^2} \right) \left( \frac{Q_m}{1 + Q_m} \right) $$
其中 $k_p$ 为机电耦合系数，$Q_m$ 为压电机械品质因数，且 η取值在零到一之间。此外，由于压电陶瓷的介电损耗（tan δ）会影响压电陶瓷的性能，因此用于能量收集器的压电陶瓷其tan δ应尽可能小。因此，基于压电陶瓷的能量收集器在非谐振条件下的优值系数（figure‐of‐merit，off‐resonance condition，FOMoff）可由以下公式给出：[18]。
$$ FOM_{off} = \frac{d_{ij} \times g_{ij}}{\tan \delta} $$
因此，压电能量收集器需要表现出高的转换系数（$d_{ij} \times g_{ij}$），机电耦合系数（$k_p$）。

为了改善(1 −x)Pb(Zr, Ti)O3 −(x)Pb[(Zn, Ni)Nb]O3 基陶瓷压电材料的性能以用于能量收集，人们高度关注低温烧结和优异的压电能量收集性能[19,20]。成分接近菱方‐四方多型相界（MPB）的样品表现出较高的 $g_{33}$ 和 $d_{33} \times g_{33}$ 值[21]。为了制备多层压电器件，要求压电陶瓷在低于960°C的温度下烧结，因为银金属的熔点为960°C，而银金属常被用作多层器件的电极[22]。

为了提高压电材料的功率特性并降低烧结温度，通常使用受主掺杂离子Cu²⁺作为助烧剂[23]。众所周知，氧化铜作为一种助烧剂是降低烧结温度的有效方法，同时还能改善压电材料的致密微观结构 [24,25]。然而，关于氧化铜作为助烧剂对PZNxC陶瓷微观结构和电学性能影响的系统性报道较少。此外，目前也鲜有将无线传感器节点与由压电发电机组成的地板砖有效集成以收集振动能量的报道，而这种集成有助于在智能家居和城市地区进行大规模安装[26,27]。开发此类能量收集技术对于解决智能设备的电源问题以及实现多种自供电功能至关重要。

本文研究了由优化的PZN0.25C陶瓷构成的实时传输系统的无线传感器节点供电问题，该材料可用于收集人体脚步产生的振动能量。使用面积约为 20×20 cm² 的地板砖，可从人体脚步能量中产生最高12毫瓦的输出功率，为智能家居和在偏远地区工作的人们提供理想的可持续电源。该地板砖传输的信息可用于能源管理和传感功能。

2. 实验

2.1. PZNxC厚膜的制备

PbO（99.9%）、ZrO₂ （99.9%）、ZnO（99.9%）、TiO₂（ 99.9%）、NiO（99.9%）、Nb₂O₅ （99.9%）和CuO（99.9%）粉末由高纯度化学研究所生产，作为起始原料。按照化学式0.72Pb(Zr0.47Ti0.53)O₃ −0.28Pb[(Zn0.45Ni0.55)1/3Nb2/3]O₃+x摩尔百分比CuO（ PZNxC）称量配料，在聚乙烯瓶中用氧化锆球球磨24小时。干燥后，混合粉体在800摄氏度下煅烧2小时。煅烧后的粉体再次球磨24小时，然后进行干燥。随后，将粉体与PVB聚合物、溶剂、粘结剂和增塑剂（ B‐73225，FERRO，美国）混合24小时，制成陶瓷与聚合物比例为2:1 的浆料。样品在真空条件下脱气30分钟以优化粘度。通过流延成型工艺制备出约30微米厚的生坯片。使用切割机（DC‐5，DH）从生坯片上切下尺寸为 30×40 mm²的方形样品。随后，将生坯片逐层堆叠，共十层，在60摄氏度下施加10千克/平方厘米²的压力热压10分钟。为了去除层压片中的有机添加剂，试样在电炉（AJ‐MLBF2，AJEON）中缓慢加热至 600◦C，并在此温度下保持3小时。烧结厚膜在120摄氏度下施加2千伏/毫米的电场极化2小时。

2.2. 压电和电学性能的测量

压电电荷常数 $d_{33}$ 使用 $d_{33}$ 测量仪（PM100，Piezotest）进行测量。
厚PZNxC膜通过胶粘剂粘附在不锈钢基板（SUS 304）的上下表面。为评估其发电特性，使用数字示波器（DPO4054B，泰克）对地板砖进行了测试。

3. 结果与讨论

我们开发了一种利用无线脚踏开关作为人体‐机械压电能量收集器的系统。图1(a)展示了该地板砖在优化的PZN0.5C厚膜悬臂梁型收集器上的应用，该收集器为无线传感器节点提供能量，以实现对电器开关的实时控制。图1(b)中的实际实验照片显示了如何通过地板砖点亮灯。压电能量收集器为发射传感器节点供电，使其冷启动并无线传输信号。该信号由接收传感器节点接收，并通过连接至灯插座（左上方）来激活灯，如图1(b)所示。图1(c)展示了尺寸为 20×20 cm²的地板砖的照片。它包含20片PZN0.5C厚膜（每块地板砖中20片），尺寸为 3×5 cm²。为了防止损坏，安装了活动条，并将发射传感器节点连接到压电能量收集器。通过两个传感器节点之间的信息传输和接收，可以操作连接到同轴插座的家用电器。

为了构建地板砖，我们优先研究了该系统中所用压电材料的最佳组成。图2(a)展示了掺杂不同含量氧化铜的PZNxC的XRD图谱。此处，PZNxC陶瓷在950°C下烧结。所有样品均具有均匀的钙钛矿结构，且无第二相。当x =0.00时，样品呈菱方结构且x=0.75的样品具有四方结构。x为0.25 ≤x ≤0.50的样品被认为具有菱方‐四方结构：其中x=0.25的样品结构接近菱方结构，而x=0.50的样品结构接近四方结构。如图2(b)所示，掺杂0.50 ≤x ≤0.75的样品晶粒更加均匀且更大，尺寸约为5–8微米，并且相比掺杂0.00 ≤x ≤0.25的样品具有更致密的结构。如图2(c)所示，压电常数在0.00 ≤x ≤0.50时增加，x=0.50的样品具有较大的 $d_{33}$ 值（480 pC/N）和 $k_p$ 值（ 45%），但随着介电常数进一步增大，$g_{33}$ 值下降，因为 $g_{33}$ 可表示为 $d_{33}$/介电常数。因此，x=0.50的样品被认为是最佳的压电材料。

采用PZNxC厚膜制备了单晶悬臂型压电能量收集器。每块压电厚膜的尺寸为4.5×2.5×0.25 cm³，并粘附在尺寸为7.0×3.0×0.025 cm³的SUS304上。图3(a)显示了该能量收集器的详细示意图。所研制的单晶悬臂型压电能量收集器在11 Hz的共振频率（加速度：3.0 m/s²）下，使用优化后的350 kΩ负载电阻测试其输出功率，如图3(b)所示。图3(c)中PZNxC（x=0–0.75）的输出功率（毫瓦）和转换系数（$d_{33} \times g_{33}$）趋势与趋势图相似，并且PZN0.5C厚膜测得的高输出功率为12 毫瓦，转换系数（$d_{33} \times g_{33}$）为15,647×10⁻¹⁵ m²/N。由于PZN0.5C厚膜表现出良好的压电性能和高输出功率，因此被认为是地板砖材料的良好候选者。表1列出了PZNxC能量收集器的 $d_{33} \times g_{33}$, 效率、FOMoff、$d_{33} \times g_{33} \times (k_p)^2$, 以及输出功率的变化情况。这些参数表现出类似的变化趋势，表明 $d_{33} \times g_{33}$,、FOMoff以及 $d_{33} \times g_{33} \times (k_p)^2$ 与本研究中制备的压电能量收集器的输出功率密切相关。$d_{33} \times g_{33} \times (k_p)^2$ 值与本研究中制备的压电能量收集器的输出功率（毫瓦）密切相关。此外，所有 PZNxC厚膜（x =0–0.75）的效率值均超过0.9。当x =0.0时，样品的 $k_p$、$d_{33}$,、$d_{33} \times g_{33} \times (k_p)^2$, 和介电常数分别为44%、340 pC/N、 3168.5和1350。然而，该样品的 $g_{33}$ 和 $d_{33} \times g_{33}$ 值相对较低，分别为 37.7×10⁻³ Vm/N和12,820×10⁻¹⁵ m²/N，因为该样品具有较大的介电常数值。另一方面，x =0.50的样品由于其较大的 $d_{33}$ 值（480 pC/N）和较低的介电常数（1650），表现出非常大的 $g_{33}$ 和 $d_{33} \times g_{33}$ 值，分别为32.5×10⁻³ Vm/N和15,647×10⁻¹⁵ m²/N。具有接近菱方结构（x =0.0）的样品的介电常数低于具有接近四方结构MPB结构 （x=0.50）的样品，因为在去除电场后，菱方结构中的极化变化小于四方结构中的极化变化[18]。因此，为了从本研究中制备的压电能量收集器获得大的输出功率（毫瓦），压电陶瓷应具有大的 $g_{33}$,、$d_{33}$, 和 $k_p$ 值。最后，该压电能量收集器采用PZN0.5C作为压电材料以驱动地板砖。

地板砖开启灯时的示意图。(b)所开发的脚踏开关照片，该脚踏开关是一个集成的压电自供电系统，利用人体行走产生的能量，通过压电能量收集器、发射传感器、接收传感器和灯插座实现功能。(c)所制备的自供电能量收集器的照片以及地板砖的结构设计。)

2,和输出功率。)

压电能量收集器在不同重量（50–80公斤）下的开路输出电压。(b) 和 (c) 在不同重量（千克）下，通过压电能量收集器的开路输出电压进行为期30天的耐久性测试。(d) 输出功率（毫瓦）随功能负载电阻（Ω）变化的阻抗匹配。(e) 不同重量（千克）下，压电能量收集器能量为电容器充电的电压。插图显示了能量收集器的充电电路。(f) 由地板砖驱动的无线开关系统的电路图。(g) 无线开关系统与空调、台灯和空气净化器同步工作的照片，展示了其在实时系统中应用的能力。)

图4 展示了应用于地板砖的PZN0.5C厚膜单元模块的示意图。一根梁（尺寸：4.0×16 cm²）两端固定，梁的中心固定在结构上。PZN0.5C厚膜（尺寸：4.5×3 cm²）附着在梁的两侧，连接杆固定在 PZN0.5C厚膜上，以减少外部冲击造成的作用力，特别是考虑到推压接触模式的基本工作原理，该模式利用钢制外壳与连接杆之间的联动作用。
当人踩踏初始状态下的压电能量收集器时，脚部压力施加到连接杆上，应力传递至PZN0.5C厚膜。此时产生拉应力，且梁向下弯曲。此外，由于弹簧特性使梁恢复原状，它向上移动，并在PZN0.5C厚膜中产生压应力。拉应力产生正电压（+），而压应力产生负电压（−）。
在压电能量收集器中嵌入的PZN0.5C厚膜利用人体脚步驱动脚踏开关，从而产生42V的开路输出电压（人体重量：80千克），即使在测量探头极性发生变化的情况下，如图4(c)所示。

图5（a）显示了开路输出电压随不同重量（千克）的变化情况。随着人体重量（20–80千克）的增加，开路输出电压稳步上升，最大电压高达42伏特（重量：80千克）。为了观察压电能量收集器在不同重量（千克）下的开路输出电压的可靠性，我们在一个月内的不同天数测量了峰值输出电压和电流，同时持续测试地板砖，如图5（b）和（c）所示。图5（d）展示了感应输出功率随外部电阻变化的情况，电阻值最高达210kΩ。在165 kΩ的电阻下产生了11毫瓦的最大瞬时功率。当压电能量收集器受到压力时，人体脚步产生的能量被转化为交流电信号。该信号通过全桥二极管整流为直流信号，并对10微法电容进行充电。随着施加的重量增加，电压峰值也随之增加，如图5(e)所示。插图中的图5(e)显示了实验中使用的能量收集充电电路图。图5(f)展示了地板，该地板由多个压电等效电路组成。当人体踩踏该地板时，机械能被转化为电能，并通过整流后为电容器充电。此电能作为电源供给无线传感器节点，取代现有的锂离子电池。无线发射节点（eZ430‐RF2500T）被激活并向无线接收器（eZ430‐RF2500T）发送开/关信号。最终，通过继电器电路控制220V商用电源与灯之间的连接，可实现灯的开启和关闭。图5(g)表明，为了将压电能量收集器直接应用于无线传输传感器而无需使用任何类型的电池，对人体运动能量进行可靠评估至关重要。地板测试用于评估人体脚步的可行性。实验结果研究表明，这种易于切换的地板砖为智能家居在人体应用方面提供了潜力，尤其适用于身体障碍者。为了验证由PZN0.5C厚膜驱动的实时地板砖的实际适用性，必须估算由发射传感器节点组成的电路的功耗。
PZN0.5C厚膜具有长期运行和多种用途的能力。此外，我们期望通过采用所提出的压电能量收集技术，能够实现完整的、大规模的自供电地板砖。

4. 结论

在此，我们成功展示了基于优化后的PZN0.5C厚膜的自供电地板砖。该PZN0.5C厚膜是通过流延成型法开发的。该压电能量收集器表现出42伏特的输出电压和52微安的输出电流，并在30天内表现出良好的稳定性。该地板砖还能响应普通人体重（50–80公斤）。从人体脚步获取的输出电压成功驱动了无线发射传感器节点以及主要电器的接收开关模块。
通过将信号无线传输至开关模块，展示了自供电实时地板砖系统。目前，我们正在研究利用优化后的压电材料在智能家居中大规模实施自供电地板砖系统。