CN102545692B - 基于压电静电的复合式振动能量收集器 - Google Patents

Abstract

基于压电静电的复合式振动能量收集器，涉及一种振动能量收集装置。提供一种可实现对环境振动能量的自适应、高效率和宽频带收集，并且可实现自供能的基于压电静电的复合式振动能量收集器设有支架、质量块、镂空连接板、上电容极板、下电容极板、压电片组和能量收集电路；或设有支架、质量块、镂空连接板、上电容极板、下电容极板、压电片组和能量收集电路。

Description

基于压电静电的复合式振动能量收集器

技术领域

本发明涉及一种振动能量收集装置，尤其是涉及一种基于压电静电的复合式振动能量收集器。

背景技术

在现代社会，环境能量收集技术一直都是很热门的研究课题，环境中的风能，太阳能，振动能量等都是绿色能源，在能量紧缺的今天，开发这些能量显得尤为重要。由于振动能量无处不在，因此基于振动能量的收集技术成为研究的重点。目前，振动能量采集技术主要基于以下三种方式：电磁式、静电式(也称电容式)和压电式。

电磁式振动能量收集器输出电压较低，而静电式和压电式输出电压较高，是振动换能的理想方式。然而，静电式工作时需要提供一个外部的初始启动电压源或电荷源，这样导致能源消耗，无法实现自供能。

传统的振动能量收集器通常被设计成线性振动结构(因线性振动结构的设计比较容易实现)，其工作频率被固定在一个特别激发的共振频率点上。当外部振动频率偏离振动能量收集器的共振频率时，振动能量收集器的能量收集效率将急剧下降。由于现实环境振动的多样性，通常具有宽频谱能量特征和随机振动特性，而且大部分振动能量处于低频状态(例如频率在10Hz左右的人体运动和车、船等的振动)，因此，振动能量收集如何与多样性的环境振动频率相适应以提高能量的收集效率是目前面临的根本问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可实现对环境振动能量的自适应、高效率和宽频带收集，并且可实现自供能的基于压电静电的复合式振动能量收集器。

为实现上述目的，本发明采用可下述两个技术方案。

本发明的第一技术方案如下：

本发明设有支架、质量块、镂空连接板、上电容极板、下电容极板、压电片组和能量收集电路；

质量块设于支架中央并且通过镂空连接板与支架固为一体；镂空连接板设有至少2个L形镂空槽，以质量块中心线为基准，各镂空槽为对称设置；上电容极板固于支架上部并且位于质量块上方；下电容极板固于质量块上端并且与上电容极板面对；压电片组设有至少4片压电片，各片压电片设于镂空连接板上，以质量块中心线为基准，各片压电片为对称设置；能量收集电路设有整流电路、滤波电容、第一开关、第二开关、能量储存电容和至少4对电极；每片压电片均设1对电极，每对电极串联后形成压电交流电源，压电交流电源输出端接整流电路输入端，整流电路输出端接滤波电容输入端，滤波电容输出端经第一开关接上电容极板和下电容极板，上电容极板和下电容极板的输出端经第二开关接能量储存电容输入端，能量储存电容输出端外接负载。

所述支架最好为矩形框架，所述质量块和镂空连接板与矩形框架为一体式结构。

所述每对电极可由Pt电极和Au电极组成。

所述整流电路优选桥式整流电路。

所述第一开关和第二开关均优选二极管开关。

所述镂空连接板最好设有4个L形镂空槽。

本发明的第二技术方案如下：

本发明设有支架、质量块、镂空连接板、上电容极板、下电容极板、压电片组和能量收集电路；

质量块设于支架中央并且通过镂空连接板与支架固为一体；镂空连接板设有至少2个L形镂空槽，以质量块中心线为基准，各镂空槽为对称设置；上电容极板固于支架上部并且位于质量块上方；下电容极板固于质量块上端并且与上电容极板面对；压电片组设有至少4片压电片，各片压电片设于镂空连接板上，以质量块中心线为基准，各片压电片为对称设置；能量收集电路设有整流电路、滤波电容、第一开关、第二开关、能量储存电容、至少4对电极以及电容极板启动电源；每片压电片均设1对电极，每对电极串联后形成压电交流电源，压电交流电源输出端外接负载，电容极板启动电源输出端经第一开关接上电容极板和下电容极板，上电容极板和下电容极板的输出端经第二开关接能量储存电容输入端，能量储存电容输出端外接负载。

所述支架最好为矩形框架，所述质量块和镂空连接板与矩形框架为一体式结构。

所述每对电极可由Pt电极和Au电极组成。

所述整流电路优选桥式整流电路。

所述第一开关和第二开关均优选二极管开关。

所述镂空连接板最好设有4个L形镂空槽。

所述电容极板启动电源可直接采用外部的直流电源。如采用电池或通过适配器外接市电。

与现有技术比较，本发明有益效果如下：

使用时，将支架放置于振动源处，支架接收振动能量，由于镂空连接板具有弹性，这样镂空连接板会带动质量块作上下振动位移。上电容极板(固定式电容极板)与下电容极板(可动式电容极板)构成了一个可变电容。下电容极板固于质量块上端，当下电极板随质量块运动到最上方时，可变电容达到最大值，第一开关闭合，此阶段压电片产生的电压给可变电容充电，充电结束后，电容电量达到最大值，第一开关断开；当下电容极板随质量块开始下降时，可变电容的电容值减小，而可变电容的电量保持不变，则可变电容两端的电压开始上升，当可变电容达到最小值时，可变电容上的电压达到最大值。此时第二开关闭合，可变电容对外部电路顺时放电，实现能量转换；下电容极板运动到最低位置后，又开始重新向上运动，完成一个机械振动周期。

本发明采用第一技术方案时，上电容极板与下电容极板构成的可变电容可通过压电交流电源实现自供能。本发明采用第二技术方案时，上电容极板与下电容极板构成的可变电容也可通过电容极板启动电源(外设电源，如电池或通过适配器外接市电)供能。

由此可见，本发明利用压电片受振动变形发生压电效应，从而形成压电交流电源，这样可实现能量收集(机械能转换为电能)，并对外输出。本发明具有结构简单、对环境振动能量自适应、高效率和宽频带收集振动能量，并且可实现自供能等突出优点。本发明实际应用时，支架、质量块、镂空连接板等的尺寸均可根据需要设计，从而具有不同的共振频率，这样才能适应多样性的环境振动频率，输出稳定的功率，实现能量的宽频带收集，可以实现线性或非线性的环境振动能量的宽频带收集。本发明可以被制造成微米级器件。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为图1的B-B剖视图(即镂空连接板和质量块的剖面结构示意图)。

图4为图1的C-C剖视图。

图5为本发明实施例2的镂空连接板和质量块的剖面结构示意图。

图6为本发明实施例3的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

参见图1～4，本发明设有支架1、质量块2、镂空连接板6、上电容极板5、下电容极板4、压电片组和能量收集电路。

支架1为矩形框架。质量块2设于支架1中央并且通过镂空连接板6与支架1固为一体(质量块和镂空连接板与矩形框架为一体式结构)。镂空连接板6设有4个L字形镂空槽61～64，以质量块2中心线为基准，各镂空槽内外围绕在质量块2周边并且为对称设置。上电容极板5固于支架1上部并且位于质量块2上方。下电容极板4固于质量块2上端并且与上电容极板5面对。压电片组设有4片压电片12，各片压电片12设于镂空连接板6上，以质量块2中心线为基准，各片压电片围绕在质量块2周边并且为对称设置。能量收集电路设有桥式整流电路7、滤波电容C、第一二极管开关SW1、第二二极管开关SW2、能量储存电容Cs和4对电极(电极为Pt与Au电极)。每片压电片12均设1对电极，每对电极串联后形成压电交流电源，压电交流电源输出端接桥式整流电路输入端，桥式整流电路7输出端接滤波电容C输入端，滤波电容C输出端经第一二极管开关SW1接上电容极板5和下电容极板4。上电容极板5和下电容极板4的输出端经第二二极管开关SW2接能量储存电容Cs输入端，能量储存电容输出端Cs外接负载R。

实施例2

参见图5，与实施例1类似，区别仅在于：镂空连接板6′所设的4个L字形镂空槽61′～64′是交错围绕在质量块2周边，仍然为对称设置。

实施例3

参见图6，与实施例1类似，区别在于：每对电极串联后形成的压电交流电源直接外接负载8。上电容极板5与下电容极板4构成的可变电容是通过电容极板启动电源9(外设电源，如电池或通过适配器外接市电)供能。图6中的其余标号与图1对应一致。

Claims (6)

1.基于压电静电的复合式振动能量收集器，其特征在于设有支架、质量块、镂空连接板、上电容极板、下电容极板、压电片组和能量收集电路；

质量块设于支架中央并且通过镂空连接板与支架固为一体；镂空连接板设有至少2个L形镂空槽，以质量块中心线为基准，各镂空槽围绕在质量块周边并且为对称设置；上电容极板固于支架上部并且位于质量块上方；下电容极板固于质量块上端并且与上电容极板面对；压电片组设有至少4片压电片，各片压电片设于镂空连接板上，以质量块中心线为基准，各片压电片围绕在质量块周边并且为对称设置；能量收集电路设有整流电路、滤波电容、第一开关、第二开关、能量储存电容和至少4对电极；每片压电片均设1对电极，每对电极串联后形成压电交流电源，压电交流电源输出端接整流电路输入端，整流电路输出端接滤波电容输入端，滤波电容输出端经第一开关接上电容极板和下电容极板，上电容极板和下电容极板的输出端经第二开关接能量储存电容输入端，能量储存电容输出端外接负载；

所述支架为矩形框架，所述质量块和镂空连接板与矩形框架为一体式结构；所述整流电路为桥式整流电路；所述第一开关和第二开关均为二极管开关。

2.如权利要求1所述的基于压电静电的复合式振动能量收集器，其特征在于所述每对电极均由Pt电极和Au电极组成。

3.如权利要求1所述的基于压电静电的复合式振动能量收集器，其特征在于所述镂空连接板设有4个L形镂空槽。

4.基于压电静电的复合式振动能量收集器，其特征在于设有支架、质量块、镂空连接板、上电容极板、下电容极板、压电片组和能量收集电路；

质量块设于支架中央并且通过镂空连接板与支架固为一体；镂空连接板设有至少2个L形镂空槽，以质量块中心线为基准，各镂空槽为对称设置；上电容极板固于支架上部并且位于质量块上方；下电容极板固于质量块上端并且与上电容极板面对；压电片组设有至少4片压电片，各片压电片设于镂空连接板上，以质量块中心线为基准，各片压电片为对称设置；能量收集电路设有整流电路、滤波电容、第一开关、第二开关、能量储存电容、至少4对电极以及电容极板启动电源；每片压电片均设1对电极，每对电极串联后形成压电交流电源，压电交流电源输出端外接负载，电容极板启动电源输出端经第一开关接上电容极板和下电容极板，上电容极板和下电容极板的输出端经第二开关接能量储存电容输入端，能量储存电容输出端外接负载；

所述支架为矩形框架，所述质量块和镂空连接板与矩形框架为一体式结构；所述整流电路为桥式整流电路；所述第一开关和第二开关均为二极管开关。

5.如权利要求4所述的基于压电静电的复合式振动能量收集器，其特征在于所述电容极板启动电源采用电池或通过适配器外接市电。

6.如权利要求4所述的基于压电静电的复合式振动能量收集器，其特征在于所述每对电极均由Pt电极和Au电极组成；所述镂空连接板设有4个L形镂空槽。