CN102938622A - 一种压电俘能单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电俘能单元。通过结构阵列和电路串并联连接方式，形成模块，本发明能够简化压电俘能器件的批量生产，适宜于低频率大应力振动环境能的大面积俘获，易于在路面铺设，拓展了压电俘能器的使用范围。

Description

一种压电俘能单元

技术领域

本专利属于环境能量俘获技术领域，尤其涉及一种用于道路振动能量俘获的压电俘能器件。  

背景技术

近年来，随着全球气候变暖的加剧和石油、煤炭、天然气等不可再生资源的紧缺，寻求可再生、可持续的绿色能源成为人类文明可持续发展的重要挑战。

利用压电材料的压电效应，从环境中俘获能量的装置称之为压电俘能器。与静电式、电磁式将振动机械能转化为电能相比，压电俘能器具有俘能效率高、能量密度大、工作可靠、适应性强、无污染、成本低等突出优点，成为从环境机械能获取电能的一种行之有效的好方法，受到了广泛的重视。

利用压电效应将路面振动能量转换成电能，并通过存储器进行电能的储存，所获得的电能可用作现有电力系统能量的一个补充，或者将所俘获的电能作为电源直接使用。

目前，国内关于路面振动能量俘获方面的研究很少，还没有形成一种适宜于该场合的、自主研发的压电俘能器。在其他方面的应用研究，虽有较多的文献资料，但还没有成熟的压电俘能器件供选择使用，也是处于一种探索阶段。如用于从网络节点微振动中俘获能量以实现微电子产品无线自供能的压电俘能器，多为悬臂梁单晶片或双晶片结构。这种利用惯性自由振动的结构，简单易行，可产生最大的挠曲和柔顺系数，提供较低的谐振频率，具有较长的振动持续时间，可充分吸收环境振动能。但可承受的应力较小，因此不适宜于路面振动特性的能量俘获。利用人体运动能开发的压电俘能系统所采用的压电俘能器，为施加了一定预应力的Rainbow结构。通过施加预应力，这种弯曲如彩虹结构的压电俘能器可综合利用d33 和d31 模态，产生较大的应变，获得较高的转换能量。但该种结构在连接处会产生很大的应力，同样不太适宜俘获像路面这种大应力的振动能。

以上两种类型结构的压电俘能器，有一个共同点，就是都是采用在金属基体的两面贴上陶瓷薄膜构成压电振子的。这种压电振子注定不能承受大应力，从而使其应用受到了很大的局限。

近年来，对Cymbal结构的压电俘能器的研究引起了广泛的重视。这种中间为压电陶瓷片，而上下两面为具有Cymbal结构金属板的压电俘能器，可以将施加在轴向的应力，转换并放大成切向和径向的应力，使得压电陶瓷的d33和d31压电常数都对复合结构的等效压电常数deff作出贡献，可提供较其他类型俘能器高得多的等效压电常数deff，较适用于低频率、大应力的环境能的俘获。但该结构是否适宜于路面振动能量的俘获还有待进一步的研究。

另外，受压电陶瓷制备技术的局限，所制备的压电陶瓷片尺寸较小。因此，利用压电陶瓷片制作的压电俘能器尺寸都较小，使其使用受到了一定的限制。

在行车荷载作用下，无论是沥青混凝土路面还是水泥路面，内部将产生横向和纵向的振动。这种路面振动是一种低频率、大应力的振动，是一种分布较广但易于采集的的环境能，是一种类似太阳能、热能、风能等环境能的绿色能源。俘获路面振动能量，即通称的公路发电，将为人类提供一条可利用的、取之不尽用之不竭的绿色能源新途径。但由于该能量分布较广, 若要俘获，需要开发一种新型的、易于大面积铺设、且与路面具有良好耦合性的压电俘能器件。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种压电俘能单元，能够简化压电俘能器件的批量生产，易于在路面铺设，而且适宜于低频率大应力振动环境能的大面积俘获，拓展了压电俘能器的使用范围。  

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种压电俘能单元，该压电俘能单元包括：压电俘能装置、整流电路及变换电路和存储器，所述压电俘能单元作为电源直接供使用。

优选的，所述压电俘能装置包括进行阵列排放多个压电俘能振子，所述压电俘能振子中间填充绝缘胶，多个中间填充绝缘胶的压电俘能振子的上、下端由基底材料覆盖构成。

优选的，所述压电俘能振子上安装有压电陶瓷片，所述压电陶瓷片的上、下端用粘结剂黏有金属基片，并在金属基片上焊接有导电电线。

优选的，所述压电俘能装置的阵列形式可以是矩形、圆形及其他任意形式的阵列。

优选的，所述压电俘能装置上、下端覆盖的基底材料可以是金属，也可以是非金属类。

优选的，所述压电振子可以是圆形、方形、圆环等形状。

优选的，所述压电俘能振子间并联连接后，与整流电路及变换电路串联连接，并输送到存储器或作为电源直接供使用。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明的有益效果是，本发明通过采用平板金属基片、上下基板、阵列、串并联电路连接等，构成模块化单元，不仅简化了压电俘能器件的批量生产，易于在路面铺设，而且适宜于低频率大应力振动环境能的大面积俘获，与路面具有较好的耦合性，拓展了压电俘能器的使用范围。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1是本发明一种压电俘能装置的一较佳实施例的主视图；

图2是本发明一种压电俘能装置的一较佳实施例的俯视图；

图3是本发明中压电俘能振子的一较佳实施例的主视图；

图4是本发明中压电俘能单元的的一较佳实施例的主视图。  

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1和图2，为了便于说明，仅仅示出了与本专利实施例相关的部分。

该压电俘能装置包括：

在水平面按阵列形式排列，用于将外界振动能转换为电能的压电俘能振子；

    位于压电俘能振子的上下两层，用于均匀传递外界应力给压电振子,且对压电振子起保护作用的基底；

    位于相邻压电俘能振子之间，用于绝缘和粘结的绝缘胶；

    作为本专利的一优选实施例，阵列的压电振子的间隙用环氧树脂填充；

    作为本专利的一优选实施例，压电俘能装置的外形为方形，且阵列形式为矩形阵列；

作为本专利的一优选实施例，压电俘能装置的基底材料为环氧树脂。

    图3示出了本专利实施例提供的压电俘能振子主视图。为了便于说明，仅仅示出了与本专利实施例相关的部分。

该压电俘能振子包括：

用于将振动能转化为电能的压电陶瓷片；

位于上下两层，形成电极的金属基片；

位于压电陶瓷片和金属基片间，用于黏结和导电的粘结剂。

作为本专利的一优选实施例，使用的压电陶瓷片为圆柱形。

图4示出了本专利实施提供的压电俘能单元的主视图。为了便于说明，仅仅示出了与本专利实施例相关的部分。

该压电俘能单元包括：

用于能量转换的阵列式压电俘能装置；

连接于各个压电陶瓷振子，将电能引出的电极；

与电极连接，用于整流的桥式整流电路；

与整流电路串联连接，用于改变电压的DC-DC变换电路；

与变换电路串联连接，用于电能储存的存储器。

作为本专利的一优选实施例，电极之间采用并联连接。

下面结合附图及具体实施例对本专利的应用原理作进一步描述。

当压电俘能振子受到路面振动的激励作用时，压电陶瓷片就会产生电荷，上下金属基片形成电极，将俘获到的电能与整流电路相连，将高电压、低电流特性的电能进行整流，转换成单向脉动性直流电，然后与变换电路相连接，变换成所需要的电压，存储到存储器中。

本专利通过采用金属基片、压电陶瓷片、阵列、串并联电路等结构，构成模块化的压电俘能单元，不仅简化了压电俘能器件的批量生产，易于在路面铺设，与路面具有较好的耦合性，而且适宜于低频率大应力振动环境能的大面积俘获，拓展了压电俘能器的使用范围。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种压电俘能单元，其特征在于：该压电俘能单元包括：压电俘能装置、整流电路及变换电路，存储器或作为电源直接供使用。

2.如权利要求1所述的一种压电俘能单元，其特征在于：所述压电俘能装置包括进行阵列排放的多个压电俘能振子，所述压电俘能振子中间填充绝缘胶，多个中间填充绝缘胶的压电俘能振子的上、下端由基底材料覆盖构成。

3.如权利要求2所述的一种压电俘能单元，其特征在于：所述压电俘能振子上安装有压电陶瓷片，所述压电陶瓷片的上、下端用粘结剂黏有金属基片，并在金属基片上焊接有导电电线。

4.如权利要求1所述的一种压电俘能单元，其特征在于：所述压电俘能装置的阵列形式可以是矩形、圆形及其他任意形式的阵列。

5.如权利要求1所述的一种压电俘能单元，其特征在于：所述压电俘能装置上、下端覆盖的基底材料可以是金属，也可以是非金属类。

6.如权利要求1所述的一种压电俘能单元，其特征在于：所述压电振子可以是圆形、方形、圆环等形状。

7.如权利要求1所述的一种压电俘能单元，其特征在于：所述压电俘能振子间并联连接后，与整流电路及变换电路串联连接，并输送到存储器或作为电源直接供使用。

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