CN105915114A - 一种基于压电发电的能量收集装置及控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电发电的能量收集装置及控制系统和控制方法，包括发电装置、能量转换模块和存储装置；所述发电装置包括盖板、冲击块、固定柱、压电双晶片阵列、底板和导线；所述能量转换模块采用倍压整流电路，连接存储装置；所述存储装置采用超级电容，并联稳压二极管。本发明提供一种高效的能量收集装置，并通过控制系统实现自动收集。

Description

一种基于压电发电的能量收集装置及控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及能量收集装置，尤其是一种基于压电发电原理的高效率能量收集装置及控制系统和控制方法。

背景技术

把周围环境存在的热能、风能、声能、谁能、太阳能、机械能和人类活动能等能量中的一种或者多种收集起来转换成电能，然后直接给电子器件供电或者储存在电容器、可充电电池等器件中，这个过程即为能量收集。从各种能量源中收集能量的方法有很多种，如电磁感应、静电、射频辐射和压电效应等，机械振动是环境中普遍存在的一种形式，振动能量收集的原理是利用传感器的位移或者机械形变从而产生电能，收集振动能量一般有三种方式：利用电磁感应、静电和压电效应，其中电磁感应由于平面磁铁的性能比较差，通过平面线圈实现匝数受到限制，还有振动幅度的限制相应会导致电磁器件速度降低；静电器产生的是高电压、低电流和高输出阻抗，还有电极短路的问题；而压电材料的转化性能很高，可以得到很高的能量密度，得到广泛的应用。

现在的压电发电装置使用的是单晶片，晶片内只有一个压电片，同时发电装置中设置的晶片都是单层和单个，压电发电装置的能量转换效率不高，同时发电输出的电压较低，并且能量收集装置没有进行检测和控制，容易损坏。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种包含压电发电、整流和存储功能以及控制系统的能量收集装置，在发电装置中采用压电双晶片，同时晶片叠加和并联设置，能量转化效率高，同时将发电电压进行四倍压整流，提供最大的电压，并提供一种对能量收集装置进行自动控制的方法。

本发明采用的技术方案如下：

本发明的基于压电发电的能量收集装置，包括发电装置、能量转换模块和存储装置；所述发电装置包括盖板、冲击块、固定柱、压电双晶片阵列、底板和导线；所述底板上表面两端设置有固定柱，底板和固定柱为一体式，固定柱内壁上设置有竖直排列向内的多个凹槽，两个固定柱上的凹槽对应设置，在同一条水平线上，凹槽内设有压电双晶片，压电双晶片之间设置有弹簧，底板与压电双晶片之间设置有弹簧，压电双晶片上连接有导线；所述限位板之上有盖板，盖板下端设置有冲击板；所述导线连接能量转换模块；所述能量转换模块采用倍压整流电路，连接存储装置；所述存储装置采用超级电容，并联稳压二极管。

以上结构中，压电双晶片之间设置有弹簧，底板与压电双晶片之间设置有弹簧，当上层的压电双晶片受到冲击板的压力向下弯曲，给下个压电双晶片一个向下的力，最上面的压电双晶片受到力依次传递给下层的压电双晶片，多个压电双晶片的共同作用产生更多的电能，提高能量收集装置的工作效率；所述存储装置中的稳压二极管具有保护超级电容的作用。

本发明的基于压电发电的能量收集装置，所述压电双晶片阵列包括同一层并联的N个压电双晶片和N层串联的压电双晶片，N>2。

以上结构中，同层N个双晶片并联和N层压电双晶片串联设置，电路的总电流为各支路电流的总和，这样就大大提高装置的输出电流。

本发明的基于压电发电的能量收集装置，所述压电双晶片包括压电片、金属片和导线；所述金属片设置于两块压电片之间，金属片和压电片之间有胶层；所述金属片和压电片上分别连接有导线，两个压电片之间用导线连接。

以上结构中压电双晶片有两块压电片，当金属片发生形变时，两块压电片都会发生形变，对比单晶片，能够产生更多的电荷，输出更大的电压，提高发电效率。

本发明的基于压电发电的能量收集装置，所述金属片长度为60mm、厚度为0.5mm，压电片长度为42mm，厚度为0.15mm；压电片与金属片的长度比为0.7。在满足发电装置结构尺寸要求的前提下，压电片和基板的最佳长度比为0.7。

本发明的基于压电发电的能量收集装置，所述压电片采用的是掺杂改性的高性能PZT压电陶瓷材料。

以上结构，PZT系压电陶瓷材料不仅具有优异的压电性能，而且还具有很低的制作成本和非常成熟的制作工艺，且掺杂调控性强，可以提高能量手机装着的效率和降低成本。

本发明的基于压电发电的能量收集装置，所述底板和盖板都采用的是胶木材料，尺寸为400mm×400mm；冲击块的厚度为10mm，固定柱上表面高出压电双晶片上表面9.8mm。

以上结构中，固定柱上表面高出压电双晶片上表面的高度与冲击板的厚度相差的数值在压电双晶片的形变安全量之内。

本发明的基于压电发电的能量收集装置，所述倍压整流电路为四倍压整流电路；所述四倍压整流电路由整流二极管D1、D2、 D3、D4，以及滤波电容器C1、 C2、C3、C4组成，D1、 C1和发电输出组成闭合电路，D1、D2和 C2组成闭合电路，D2、D3和C3组成闭合电路，D3、 D4和D3组成闭合电路，C1、D1、D2和C3的连线相交于一点，D2、C2、D3和C4的连线相交于一点，C3、D3、和D4的连线相交于一点。

以上结构，发电装置输出的电压具有正负性，D1和D3导通，C1和C3被充电，当极性变正时，D1和D3关断，C1和C3停止充电；D2导通，C1上的电压增加，C2再次充电达到原来的二倍，同样，C4也被冲到2倍的电压；由于C2和C4不能放电，输出电压为4倍的输入电压，四倍压整流电路将发电装置的交流输入转换成直流输出，同时将发电电压放大成原来的四倍，为存储装置提供高压直流输入。

一种基于权利要求1到6之一的所述基于压电发电的能量收集装置的控制系统，包括检测模块、中央处理器和执行模块，所述检测模块包括形变检测装置、整流电压检测装置和电容电量检测装置；所述形变检测装置设置于压电双晶片外壁，用于检测压电双晶片的形变量；所述整流电压检测装置连接于四倍压整流电路，用于检测整流输出电压的大小；所述电容电量检测装置，用于检测超级电容中的电量；所述中央处理器采用的是单片机，用于接受检测模块的信号，与预设值进行比较，生成执行信号；所述执行模块，包括与盖板接触的挤压装置、设置于整流电路与存储装置之间的整流开关和设置于电容上的电容开关；所述中央处理器通信连接检测模块和执行模块中的所有设备。

以上控制系统，通过时时检测压电双晶片的形变、整流输出电压大小和电容电量，同时进行自动控制，能够增进能量收集装置的各个部分之间的协同工作，提高收集效率，同时防止能量收集装置的元件的损坏，有效的对整个发电进程进行控制。所述形变检测装置采用应变片，所述电容电量检测装置为电量测量仪。

本发明所述基于压电发电的能量收集装置的控制系统的控制方法，其步骤为：

步骤一：发电装置开始工作后，通过形变检测装置检测压电双晶片的形变量，并将形变量转化为数字信号01，上传到单片机；同时整流电压检测装置将整流电压转化为数字信号02，上传到单片机；超级电容上的检测装置也将检测电量转化为数字信号03，上传到单片机；

步骤二：单片机接受检测模块上传的数字信号，将数字信号01与预设的压电双晶片的形变阈值比较，若大于阈值发出执行信号001；将数字信号02与预设的电容的极限电压值对比，若大于极限电压值发出执行信号002；将数字信号03与预设的超级电容的容量值对比，若大于容量值发出执行信号003；

步骤三：执行模块接受执行信号001，挤压装置的下压量和速度减小，直至小于阈值，才恢复挤压量和速度；执行模块接受执行信号002，整流开关断开，降低发电电压，直至整流电压小于极限电压值，执行模块接受执行信号003，将挤压装置停止工作，同时关掉整流开关和电容开关。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、发电效率高。本发明中的压电晶片采用压电双晶片，同时设置为同层多个双晶片的并联和多层双晶片的串联，极大的提高了压电发电装置的输出功率，从而提高能量收集装置的效率。

2、倍增整流电压高。本发明采用的四倍压整流电路，能够将发电电压放大到四倍，同时将交流转换成直流，为存储装置提供高压直流电压，进行蓄电。

3、存储电量多。本发明采用的超级电容，能够存储更多的电量，为之后的使用提供更多的电量。

4、能够进行能量收集装置的自动控制。本发明中的控制系统，能够协调装置之间的合作，同时对整个收集过程进行控制，减少损坏的发生，延长装置的寿命，同时提高能量收集效率。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明一种基于压电发电的能量收集装置的结构示意图。

图1中标记：1为冲击板，2为盖板，3为导线，4为固定柱，5为压电双晶片，6为底板，7为弹簧。

图2是本发明中压电双晶片的结构图。

图2中标记：51为压电片，52为胶层，53为金属片。

图3是本发明的四倍压整流电路图。

图4是本发明的基于压电发电的能量收集装置的控制系统示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1 ，本发明的基于压电发电的能量收集装置，包括发电装置、能量转换模块和存储装置；所述发电装置包括盖板、冲击块、固定柱、压电双晶片阵列、底板和导线；所述底板上表面两端设置有固定柱，底板和固定柱为一体式，固定柱内壁上设置有竖直排列向内的多个凹槽，两个固定柱上的凹槽对应设置，在同一条水平线上，凹槽内设有压电双晶片，压电双晶片之间设置有弹簧，底板与压电双晶片之间设置有弹簧，压电双晶片上连接有导线；所述限位板之上有盖板，盖板下端设置有冲击板；所述导线连接能量转换模块；所述能量转换模块采用倍压整流电路，连接存储装置；所述存储装置采用超级电容，并联稳压二极管。

本发明的基于压电发电的能量收集装置，所述压电双晶片阵列包括同一层并联的N个压电双晶片和N层串联的压电双晶片，N>2。

如图2，本发明的基于压电发电的能量收集装置，所述压电双晶片包括压电片、金属片和导线；所述金属片设置于两块压电片之间，金属片和压电片之间有胶层；所述金属片和压电片上分别连接有导线，两个压电片之间用导线连接。

本发明的基于压电发电的能量收集装置，所述金属片长度为60mm、厚度为0.5mm，压电片长度为42mm，厚度为0.15mm；压电片与金属片的长度比为0.7。在满足发电装置结构尺寸要求的前提下，压电片和基板的最佳长度比为0.7。

本发明的基于压电发电的能量收集装置，所述压电片采用的是掺杂改性的高性能PZT压电陶瓷材料。

本发明的基于压电发电的能量收集装置，所述底板和盖板都采用的是胶木材料，尺寸为400mm×400mm；冲击块的厚度为10mm，固定柱上表面高出压电双晶片上表面9.8mm。

如图3，本发明的基于压电发电的能量收集装置，所述倍压整流电路为四倍压整流电路；所述四倍压整流电路由整流二极管D1、D2、 D3、D4，以及滤波电容器C1、 C2、C3、C4组成，D1、 C1和发电输出组成闭合电路，D1、D2和 C2组成闭合电路，D2、D3和C3组成闭合电路，D3、 D4和D3组成闭合电路，C1、D1、D2和C3的连线相交于一点，D2、C2、D3和C4的连线相交于一点，C3、D3、和D4的连线相交于一点。

如图4，一种基于权利要求1到6之一的所述基于压电发电的能量收集装置的控制系统，包括检测模块、中央处理器和执行模块，所述检测模块包括形变检测装置、整流电压检测装置和电容电量检测装置；所述形变检测装置设置于压电双晶片外壁，用于检测压电双晶片的形变量；所述整流电压检测装置连接于四倍压整流电路，用于检测整流输出电压的大小；所述电容电量检测装置，用于检测超级电容中的电量；所述中央处理器采用的是单片机，用于接受检测模块的信号，与预设值进行比较，生成执行信号；所述执行模块，包括与盖板接触的挤压装置、设置于整流电路与存储装置之间的整流开关和设置于电容上的电容开关；所述中央处理器通信连接检测模块和执行模块中的所有设备。

本发明所述基于压电发电的能量收集装置的控制系统的控制方法，其步骤为：

步骤一：发电装置开始工作后，通过形变检测装置检测压电双晶片的形变量，并将形变量转化为数字信号01，上传到单片机；同时整流电压检测装置将整流电压转化为数字信号02，上传到单片机；超级电容上的检测装置也将检测电量转化为数字信号03，上传到单片机；

步骤二：单片机接受检测模块上传的数字信号，将数字信号01与预设的压电双晶片的形变阈值比较，若大于阈值发出执行信号001；将数字信号02与预设的电容的极限电压值对比，若大于极限电压值发出执行信号002；将数字信号03与预设的超级电容的容量值对比，若大于容量值发出执行信号003；

步骤三：执行模块接受执行信号001，挤压装置的下压量和速度减小，直至小于阈值，才恢复挤压量和速度；执行模块接受执行信号002，整流开关断开，降低发电电压，直至整流电压小于极限电压值，执行模块接受执行信号003，将挤压装置停止工作，同时关掉整流开关和电容开关。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种基于压电发电的能量收集装置，包括发电装置、能量转换模块和存储装置；所述发电装置包括盖板、冲击块、固定柱、压电双晶片阵列、底板和导线；所述底板上表面两端设置有固定柱，底板和固定柱为一体式，固定柱内壁上设置有竖直排列向内的多个凹槽，两个固定柱上的凹槽对应设置，在同一条水平线上，凹槽内设有压电双晶片，压电双晶片之间设置有弹簧，底板与压电双晶片之间设置有弹簧，压电双晶片上连接有导线；所述限位板之上有盖板，盖板下端设置有冲击板；所述导线连接能量转换模块；所述能量转换模块采用倍压整流电路，连接存储装置；所述存储装置采用超级电容，并联稳压二极管。

2.根据权利要求1所述的基于压电发电的能量收集装置，其特征在于：所述压电双晶片阵列包括同一层并联的N个压电双晶片和N层串联的压电双晶片，N>2。

3.根据权利要求2所述的基于压电发电的能量收集装置，其特征在于：所述压电双晶片包括压电片、金属片和导线；所述金属片设置于两块压电片之间，金属片和压电片之间有胶层；所述金属片和压电片上分别连接有导线，两个压电片之间用导线连接。

4.根据权利要求3所述的基于压电发电的能量收集装置，其特征在于：所述金属片长度为60mm、厚度为0.5mm，压电片长度为42mm，厚度为0.15mm；压电片与金属片的长度比为0.7；所述压电片采用的是掺杂改性的高性能PZT压电陶瓷材料。

5.根据权利要求1所述的基于压电发电的能量收集装置，其特征在于：所述底板和盖板都采用的是胶木材料，尺寸为400mm×400mm；冲击块的厚度为10mm，固定柱上表面高出压电双晶片上表面9.8mm。

6.根据权利要求1所述的基于压电发电的能量收集装置，其特征在于：所述倍压整流电路为四倍压整流电路；所述四倍压整流电路由整流二极管D1、D2、 D3、D4，以及滤波电容器C1、 C2、C3、C4组成，D1、 C1和发电输出组成闭合电路，D1、D2和 C2组成闭合电路，D2、D3和C3组成闭合电路，D3、 D4和D3组成闭合电路，C1、D1、D2和C3的连线相交于一点，D2、C2、D3和C4的连线相交于一点，C3、D3、和D4的连线相交于一点。

7.一种基于权利要求1到6之一的所述基于压电发电的能量收集装置的控制系统，其特征在于：包括检测模块、中央处理器和执行模块，所述检测模块包括形变检测装置、整流电压检测装置和电容电量检测装置；所述形变检测装置设置于压电双晶片外壁，用于检测压电双晶片的形变量；所述整流电压检测装置连接于四倍压整流电路，用于检测整流输出电压的大小；所述电容电量检测装置，用于检测超级电容中的电量；所述中央处理器采用的是单片机，用于接受检测模块的信号，与预设值进行比较，生成执行信号；所述执行模块，包括与盖板接触的挤压装置、设置于整流电路与存储装置之间的整流开关和设置于电容上的电容开关；所述中央处理器通信连接检测模块和执行模块中的所有设备。

8.根据权利要求7所述基于压电发电的能量收集装置的控制系统，其特征在于:还包括控制方法，其步骤为：

步骤一：发电装置开始工作后，通过形变检测装置检测压电双晶片的形变量，并将形变量转化为数字信号01，上传到单片机；同时整流电压检测装置将整流电压转化为数字信号02，上传到单片机；超级电容上的检测装置也将检测电量转化为数字信号03，上传到单片机；

步骤二：单片机接受检测模块上传的数字信号，将数字信号01与预设的压电双晶片的形变阈值比较，若大于阈值发出执行信号001；将数字信号02与预设的电容的极限电压值对比，若大于极限电压值发出执行信号002；将数字信号03与预设的超级电容的容量值对比，若大于容量值发出执行信号003；

步骤三：执行模块接受执行信号001，挤压装置的下压量和速度减小，直至小于阈值，才恢复挤压量和速度；执行模块接受执行信号002，整流开关断开，降低发电电压，直至整流电压小于极限电压值，执行模块接受执行信号003，将挤压装置停止工作，同时关掉整流开关和电容开关。