多年以来，能量采集已经成为给小型无线设备供电的一种流行方法。为了使能量采集器的效率最佳，设计需最大限度地提高其配置的能量传递。这篇博客，我们将探讨仿真在优化压电能量采集器设计中的作用。
通过能量采集提升无线传感器网络的能量
从可穿戴医疗保健到水质监测应用，无线传感器网络现在已经被用在各种低功耗应用中。这些网络系统包括一系列在不同位置测量和记录物理条件的传感器，它们通常在一段时间内间歇性的工作。通过无线连接，每个传感器将其获得的信息传递给网络中的其他传感器，同时也作为一个基点记录所有传感器的读数。
开发无线传感器网络的一个最大挑战是对能源消耗和效率的平衡。传感器的电池寿命通常是有限的，这使得部署这些设备变得更加昂贵，相应的，使用这些设备的应用数量也会减少。这时，能量采集器就可以发挥作用了。它能够从外部源（例如，太阳能或热能）收集能量，并转化为可用的能量。收集能量是有益的，因为它利用了原本会损失的能量，帮助优化了设备的能量，同时延长了设备的运行寿命。
如前所述，可以通过多种方式从环境中获取能量。例如，将机械应变转化为电能，也称为压电能量采集。机械应变的一个潜在来源是局部振动的加速度。将无线传感器安装在正在振动的机器上就是这样一个例子。
现在，让我们在 COMSOL Multiphysics 中分析一个能量采集器配置。
使用仿真技术分析压电式能量采集器
在 COMSOL 案例库中的压电式能量采集器案例教程中，我们设计了一个简单的 “地震”能量采集器。该装置的特点是其振动机械的一端夹着一个压电生物晶体，另一端安装了一个质量块。一个接地电极被嵌入生物晶体内，两个电极在悬臂梁的外表面。这种设计方案确保了在外部电极上能感应到等量的电压。
压电式能量采集器的几何形状。
我们从求解与振动频率成函数关系的能量输出开始仿真分析。下图显示了输入的机械能量和采集到的能量，以及当加速度发生时，压电生物晶体上感应的电压。在这个研究中，固定的电负荷为 12kΩ，加速度为 g。从模拟结果中，我们可以确定在 76Hz 处有一个峰值电压。这个计算结果与特征频率分析中计算的悬臂共振频率（73Hz）接近。
能量输出与振动频率的关系。
现在，我们来测量与电负荷电阻成函数关系的能量输出。在这个研究中，我们施加了一个 g 的加速度，使其在 75.5Hz 频率振动。下图的模拟结果表明，采集的能量峰值与 6kΩ 的用电负荷相关。
能量输出是电负荷电阻的函数。
最后，我们分析了电压和机械/电能与机械加速度的关系。在这个研究中，我们在 75.5Hz 处施加一个加速度，负载阻抗为 12kΩ。如下图所示，电压和负载之间存在线性关系，而采集的能量则以二次方的速度增加。
能量输出是加速度的函数。
通过比较，我们发现仿真结果与实验结果显示出良好的一致性。
结语
仿真为研究和优化能量采集装置提供了一种简化的方法。通过仿真可以轻松测试不同的设备配置，从而加速了设计过程，有助于生产更高效的能量采集器。随着这些设备的效率不断提高，未来将会有更多的应用获益于能量采集技术。
后续步骤
- 下载教程模型：压电式能量采集器
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