CN101572506B - 悬臂梁振动式铁电发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及悬臂梁振动式铁电发电装置。现有压电发电装置发电效率低。本发明包括金属悬臂梁、质量块、基座和铁电薄膜和蓄电电路。基座能够上下振动，条形片状的金属悬臂梁的一端与基座固定连接，另一端与质量块固定连接。金属悬臂梁的上表面和下表面分别排列设置铁电薄膜，每片铁电薄膜的顶部和底部呈矩阵设置有电量采集点，顶部的所有采集点通过引线与顶部电极线连接，底部的所有采集点通过引线与底部电极线连接。顶部电极线与蓄电电路输入的一端连接、底部电极线与蓄电电路输入的另一端连接。由于本发明采用了铁电材料作为发电装置机-电转换器，大幅度地提高了电极化率，可以获得大的输出电压和发电效率。

Description

悬臂梁振动式铁电发电装置
技术领域
本发明属于能源和电子技术领域，具体涉及一种悬臂梁振动式铁电发电装置。
背景技术
随着集成电路和微机电系统技术的发展，对基于振动机械能量捕获与转换的发电装置的研究越来越多。对发电装置输出电压，要求越大越好，也就是要求尽可能多地将振动机械能转换到电能。传统的振动式压电发电装置采用压电材料作为机-电转换器，由于压电材料的线性本构关系，振动机械能只有一小部分转换成了电能，从而使得输出电压小，发电效率低。同时要求输入的振动频率与发电装置的共振频率匹配，应用范围受到较大限制。因此，如何使振动式发电装置能在更广的外部环境下工作、使机械能向电能的转换更高效、输出电压更高，是急需解决的问题。
随着材料技术的发展，智能材料在发电装置领域的应用受到越来越多的重视。特别是铁电材料，在外力的作用下，由于形变而导致正负电荷中心不再重合，在材料内部诱发电极化和极化翻转，使铁电材料两端表面带电。铁电材料的电极化和输入应变呈现一定的非线性滞回特性，而且不管是拉应变还是压应变均可产生电极化。而目前的压电发电装置以压电材料为机-电转换器，在相同的应变条件下，压电材料中没有诱发电极化和极化翻转，材料内由应变诱发的电极化较小，机械能向电能的转换也较少，对发电装置的发电效率影响很大。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种悬臂梁振动式的铁电发电装置。本发明提出的发电装置采用铁电薄膜作为机-电转换器，有效提高了电极化率，确保有较大的输出电压。
本发明包括基座、金属悬臂梁、质量块、铁电薄膜和蓄电电路。基座能够上下振动，条形片状的金属悬臂梁的一端与基座固定连接，另一端与质量块固定连接。金属悬臂梁的上表面排列设置K1片铁电薄膜，3≤K1≤10，金属悬臂梁下表面排列设置K2片铁电薄膜，3≤K2≤10。每片铁电薄膜的顶部设置有顶部电极线、底部设置有底部电极线，顶部电极线与蓄电电路输入的一端连接、底部电极线与蓄电电路输入的另一端连接。
所述的铁电薄膜的顶部和底部呈矩阵设置有m×n个电量采集点，其中3≤m≤10，3≤n≤10，采集点为盲孔，孔深为h，0.2mm≤h≤0.3mm；铁电薄膜顶部所有采集点通过引线连接，并通过引线与顶部电极线连接；铁电薄膜底部所有采集点通过引线连接，并通过引线与底部电极线连接。
所述的蓄电电路包括桥式整流电路、滤波电容C1和超级电容器C2。桥式整流电路包括第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3和第四整流二极管D4。蓄电电路输入的一端为第一整流二极管D1负极和第二整流二极管D2正极连接端，蓄电电路输入的另一端为第三整流二极管D3正极和第四整流二极管D4负极连接端；第一整流二极管D1正极和第四整流二极管D4正极与滤波电容C1的一端和超级电容器C2一端连接，第二整流二极管D2负极和第三整流二极管D3负极与滤波电容C1的另一端和超级电容器C2另一端连接。
本发明的有益效果：与普通的压电材料相比，由于本发明采用了铁电材料作为发电装置机一电转换器，从而大幅度地提高了电极化率，可以获得大的输出电压和发电效率。另外，并不一定要求输入振动频率与发电装置的共振频率匹配。该发电装置具有结构简单、输出电压大、易于微型化、工作范围广的优点。可广泛应用于手机电池充电、遥控器电池充电、野外电子器件充电等。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为图1中A部分的放大图；
图3为图1中金属悬臂梁部分的俯视图；
图4为蓄电电路示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，悬臂梁振动式铁电发电装置包括基座1、金属悬臂梁4、质量块5、铁电薄膜3和蓄电电路2。基座1能够上下振动，条形片状的金属悬臂梁4的一端与基座1固定连接，另一端与质量块5固定连接。金属悬臂梁4的上表面均匀排列设置5片铁电薄膜3，金属悬臂梁4下表面排列设置5片铁电薄膜。每片铁电薄膜3的顶部设置有顶部电极线、底部设置有底部电极线，顶部电极线与蓄电电路输入的一端连接、底部电极线与蓄电电路输入的另一端连接。铁电薄膜3采用掺有杂质的电钛酸锶钡铁电薄膜，铁电薄膜3的长为10mm，宽为10mm，厚1mm。金属悬臂梁4采用高弹性模量的Al/SiNx构成的双材料弯折梁，长为60mm，宽15mm，厚0.5mm。
当基座1随外界环境振动时，质量块5相对于基座1产生相对运动，引起金属悬臂梁4弯曲变形。由于金属悬臂梁4的弯曲变形，使铁电薄膜3也产生一定的变形，铁电薄膜3受到应变变化的影响，发生电极化与极化翻转，从而使铁电薄膜3产生的电量集中在铁电薄膜3的顶部和底部，此时铁电薄膜3会有峰值不定的交流电输出。输出的交流电流过整流桥，再经过滤波电容C1滤波，最后储存在超级电容器C2中，达到充电的目的。为确保发电量最大，也可采用在基座的各个表面设置铁电发电装置。
如图3所示，铁电薄膜3顶部和底部呈矩阵设置有4×6个电量采集点，采集点为盲孔，孔深为0.2mm，铁电薄膜3顶部所有采集点6通过引线连接，并通过引线与顶部电极线连接；铁电薄膜3底部所有采集点6通过引线连接，并通过引线与底部电极线连接。
如图4所示，蓄电电路包括桥式整流电路、滤波电容C1和超级电容器C2。桥式整流电路包括第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3和第四整流二极管D4。蓄电电路输入的一端为第一整流二极管D1负极和第二整流二极管D2正极连接端，蓄电电路输入的另一端为第三整流二极管D3正极和第四整流二极管D4负极连接端；第一整流二极管D1正极和第四整流二极管D4正极与滤波电容C1和超级电容器C2一端连接，第二整流二极管D2负极和第三整流二极管D3负极与滤波电容C1和超级电容器C2另一端连接。第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3和第四整流二极管D4均采用低压降的锗管构成整流桥，铁电薄膜电极化产生的电量通过整流滤波后储存在超级电容器C2中。
含铁电薄膜的悬臂梁是铁电发电装置的核心元件之一，在铁电发电装置中，铁电薄膜通过悬臂梁振动产生的应变，在铁电薄膜内诱发电极化翻转，产生电场，电极化产生的电荷集中分布于铁电薄膜的顶部和底部。

Claims (1)

1.悬臂梁振动式铁电发电装置，包括基座、金属悬臂梁、质量块、铁电薄膜和蓄电电路，基座能够上下振动，其特征在于：条形片状的金属悬臂梁的一端与基座固定连接，另一端与质量块固定连接；金属悬臂梁的上表面排列设置K1片铁电薄膜，3≤K1≤10，金属悬臂梁下表面排列设置K2片铁电薄膜，3≤K2≤10；每片铁电薄膜的顶部设置有顶部电极线、底部设置有底部电极线，顶部电极线与蓄电电路输入的一端连接、底部电极线与蓄电电路输入的另一端连接；
所述的铁电薄膜的顶部和底部呈矩阵设置有m×n个电量采集点，其中3≤m≤10，3≤n≤10，采集点为盲孔，孔深为h，0.2mm≤h≤0.3mm；铁电薄膜顶部所有采集点通过引线连接，并通过引线与顶部电极线连接；铁电薄膜底部所有采集点通过引线连接，并通过引线与底部电极线连接；
所述的蓄电电路包括桥式整流电路、滤波电容(C1)和超级电容器(C2)；桥式整流电路包括第一整流二极管(D1)、第二整流二极管(D2)、第三整流二极管(D3)和第四整流二极管(D4)；蓄电电路输入的一端为第一整流二极管(D1)负极和第二整流二极管(D2)正极连接端，蓄电电路输入的另一端为第三整流二极管(D3)正极和第四整流二极管(D4)负极连接端；第一整流二极管(D1)正极和第四整流二极管(D4)正极与滤波电容(C1)和超级电容器(C2)一端连接，第二整流二极管(D2)负极和第三整流二极管(D3)负极与滤波电容(C1)和超级电容器(C2)另一端连接。
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