CN103956936A - 压电双稳态能量收集器 - Google Patents
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Abstract
一种压电双稳态能量收集器，属于可再生能源发电技术领域。所述能量收集器是一种圆柱形壳体，表面粘结有若干个压电材料，压电材料之间通过导线串联。本发明提供的能量收集器具有两种稳态的圆柱壳结构，将压电材料附着在此种双稳态结构上，利用其圆柱形形变分布均衡的特点，可使附着在其上面的压电材料的应变变形分布均匀，能充分利用压电材料，使得压电材料获得最大形变、产生最大电能，因此可以产生高效率的能量转换。本发明实用性强，采用本发明的压电双稳态能量收集器可以用于压电能量收集，具有效率高、简单易行的特点。
Description
技术领域
本发明属于可再生能源发电技术领域，涉及一种压电能量转换结构。
背景技术
随着传统能源的不断消耗，直接造成了环境污染和能源紧缺的全球性难题，因此可再生能源的获取与利用受到越来越多的关注。压电材料具有良好的力电转换特性，能实现机械能到电能的转换，在能量收集领域有着广泛的应用。CN100414808C公开了一种两面贴压电材料自由端悬挂集中质量块的悬臂梁结构，可收集振动能，但产生的电能较小。CN 101997444A也公开了一种类似的压电悬臂梁结构。CN 103354434A公开了一种双稳压电悬臂梁振动能量收集器。对于悬臂梁式的压电能量收集装置中普遍存在的问题是应变分布不均，固定端的应变较大，而自由端应变较小，使得不能充分发挥压电材料的潜能，发电效率不高。
发明内容
本发明的目的是提供一种压电双稳态能量收集器，其具有两种稳态的圆柱壳结构，将压电材料附着在此种双稳态结构上，利用其圆柱形形变分布均衡的特点，可使附着在其上面的压电材料的应变变形分布均匀，能充分利用压电材料，使得压电材料获得最大形变、产生最大电能，因此可以产生高效率的能量转换。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种压电双稳态能量收集器，由双稳态圆柱形壳体和粘结在其表面的若干个压电材料组成，若干个压电材料之间可通过导线串联。
前述压电双稳态能量收集器中，所述的双稳态壳体采用复合材料与金属混杂铺层，在复合材料固化温度下固化，冷却后由于残余热应力可形成圆柱形双稳态效果。
前述压电双稳态能量收集器中，所述的铺层由复合材料对称铺层和金属复合材料混杂铺层组成，复合材料对称铺层的两侧为尺寸对称的金属复合材料混杂铺层。
前述压电双稳态能量收集器中，所述的复合材料对称铺层为90°和0°复合材料对称铺层，其中90°复合材料层在外侧，0°复合材料层在90°复合材料层中间，具体铺层厚度可由所需的曲率进行改变。
前述压电双稳态能量收集器中，所述的金属复合材料混杂铺层依次由90°复合材料层、金属层、90°复合材料层组成。
前述压电双稳态能量收集器中，所述的0°复合材料层的总厚度与0°金属层的厚度相同，同时两种铺层中90°层厚度相同。
前述压电双稳态能量收集器中，所述的金属复合材料混杂铺层和复合材料对称铺层的尺寸可调来获得理想的曲率。
前述压电双稳态能量收集器中，所述的复合材料为碳纤维树脂复合材料或玻璃纤维树脂复合材料。
前述压电双稳态能量收集器中，所述的金属为铝或铝合金等轻金属。
前述压电双稳态能量收集器中，所述的压电材料在制备双稳态板时通过一起固化的方式进行粘结，也可以固化后粘贴，为保持双稳态壳体的对称性，上下表面在相同位置对称粘贴数量相同的压电材料，可以通过增加压电材料的数量增大发电效率。
前述压电双稳态能量收集器中，所述的压电材料可以为压电陶瓷、压电晶片或压电薄膜。只要是具有压电常数及高机电耦合系数和介电常数的压电材料均可用于制备本发明的压电双稳态能量收集器。
本发明采用复合材料与金属混杂铺层，利用其固化后残余热应力产生具有一定曲率的圆柱形壳体，此种壳体可以通过外载荷进行跳变产生另一种理论上相同曲率的圆柱形壳体，因此这种圆柱形壳体具有两种稳态，可通过一定的外载荷在两种稳态间来回跳变。将压电材料附着在此种双稳态圆柱壳体表面，由于壳体为圆柱形因此压电材料每一处的形变都是相同的，通过外载荷驱动，可使压电材料随着双稳态壳体的跳变而产生形变，从而产生电能。此种压电双稳态能量收集器较悬臂梁结构具有更大的形变，因此具有更高的发电效率。
本发明实用性强，采用本发明的压电双稳态能量收集器可以用于压电能量收集，具有效率高、简单易行的特点。
附图说明
图1为本发明实施例的三维结构示意图；
图2为本发明实施例中固化前的三维结构示意图；
图3为本发明实施例中双稳态壳体铺层方式的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：本实施方式提供一种高效率的压电双稳态能量收集器，包括双稳态圆柱形壳体1和粘结在其表面的若干个压电材料2。
本施例实施方式中，所述的压电双稳态能量收集器固化前为平板矩形如图2所示，固化后为圆柱形，固化后具有两种形状的稳态，如图1所示，上方为第一种稳态，下方为第二种稳态。其中，双稳态圆柱壳体的具体铺层方式如图3所示，图的上方为铺层俯视图，下方为不同区域铺层的剖面图。铺层分为两个区域，I区域为纤维复合材料对称铺层，其中90°纤维复合材料层3在外侧，而0°纤维复合材料层4在中间，如[90/0/0/90]；II区域为金属纤维混杂区域，同样90°纤维复合材料层3在外侧，金属Al层5在中间，如[90/Al/90]。需要注意的是，为保持厚度一致，I区域中0°纤维复合材料铺层的厚度应与II区域金属Al的厚度相同，而90°纤维复合材料层在两个区域外层对称铺层。而为了保证对称性从而保证可获得相同的两种稳态形状，纤维对称铺层I区域两侧的金属纤维混杂区域II的尺寸是相同对称的。
具体实施方式二：本实施方式中采用压电陶瓷片作为压电材料2，在固化前，将9片压电陶瓷片对称铺设在双稳态圆柱壳体1一侧表面的中间，如图2所示，同样在双稳态圆柱壳体1另一侧表面的相同位置粘贴相同数目的压电陶瓷片，通过一起固化的方式将压电陶瓷与双稳态壳体1粘结在一起，最后利用导线将所有压电陶瓷片串联起来。
由于本实施方式中采用碳纤维复合材料，可直接利用双稳态圆柱壳体作为一个电极。在外载荷的作用下压电双稳态能量收集器来回地在两种稳态间跳变，进而使压电陶瓷不断形变产生电能，实现对能量的转换。最后通过整流电路可以将所产生的电能进行储存再利用。
Claims (10)
1.一种压电双稳态能量收集器，其特征在于所述能量收集器由双稳态圆柱形壳体和粘结在其表面的若干个压电材料组成，若干个压电材料之间可通过导线串联。
2.根据权利要求1所述的压电双稳态能量收集器中，其特征在于所述的双稳态壳体采用复合材料与金属混杂铺层，在复合材料固化温度下固化，冷却后形成圆柱形双稳态效果。
3.根据权利要求2所述的压电双稳态能量收集器中，其特征在于所述的铺层由复合材料对称铺层和金属复合材料混杂铺层组成，复合材料对称铺层的两侧为尺寸对称的金属复合材料混杂铺层。
4.根据权利要求3所述的压电双稳态能量收集器中，其特征在于所述的复合材料对称铺层为90°复合材料和0°复合材料对称铺层，其中90°复合材料层在外侧，0°复合材料层在90°复合材料层中间，所述的金属复合材料混杂铺层依次由90°复合材料层、金属层、90°复合材料层组成。
5.根据权利要求4所述的压电双稳态能量收集器中，其特征在于所述的0°复合材料层的总厚度与0°金属层的厚度相同。
6.根据权利要求2、3、4或5所述的压电双稳态能量收集器中，其特征在于所述的复合材料为碳纤维树脂复合材料或玻璃纤维树脂复合材料。
7.根据权利要求2、3、4或5所述的压电双稳态能量收集器中，其特征在于所述的金属为轻金属。
8.根据权利要求7所述的压电双稳态能量收集器中，其特征在于所述的轻金属为铝或铝合金。
9.根据权利要求1所述的压电双稳态能量收集器中，其特征在于所述的双稳态圆柱形壳体的内外表面在相同位置对称粘贴数量相同的压电材料。
10.根据权利要求1或9所述的压电双稳态能量收集器中，其特征在于所述的压电材料为压电陶瓷、压电晶片或压电薄膜。
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