CN106849596A - 一种基于单摆和压电效应的复合能量收集式人体动力发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单摆和压电效应的复合能量收集式人体动力发电装置，装置上部为电能处理部分，下部为壳体和转子，壳体中部固定线圈绕组，两侧固定压电悬臂梁。壳体与电能处理部分的连接处为固定部，在固定部上固定轴承，转子上的转轴套在轴承内，转子通过转轴和轴承配合能在平行于壳体的平面内旋转。本发明在能量收集过程中转子仅在垂直平面上摆动，无需作圆周运动，转子运动到两侧边界时的剩余能量由压电悬臂梁吸收，有利于能量收集的最大化。
Description
技术领域
本发明涉及人体动能采集领域，具体是一种基于单摆和压电效应的复合能量收集式人体动力发电装置。
背景技术
随着现代便携式电子设备的发展，传统的化学蓄电池由于其储存电能有限、使用寿命短等缺陷，在一定程度上已经不能够完全满足现代电子设备要求。在部队现代化建设过程中，电子设备大幅度发展和装备，如美国士兵是信息化最为全面的部队，它们配戴有GPS地理信息仪、显示头盔、微光夜视仪、红外成像仪、无线网络通信装备等。這些装备本身已有不少的重量，而且都需要稳定持续的电源供电，如果利用传统化学电池供电，则士兵大约三分之一的负重将来源于为这些设备供电的电源，这无疑将成为未来作战中战士的一个沉重负担，即便如此，如果长时间作战，这些电源也无法满足设备的长时间供电，一旦这些装备失去电能供给，必将造成无法想象的后果。
此外，传统化学电池还存在着明显的缺陷，如，其存储的能量和供电寿命的有限性，使其在一定时间的使用期限后需要更换，造成了环境的污染和回收难题；另外，由于传统电池体积关系，限制了用电装备的微型化和集成化。因而，利用人体动能为这些微型便携式设备供电具有很大的意义。
根据对动能的利用方式的不同，人体动能采集器可分为电磁式、静电式、压电式和复合式能量采集器，其中以电磁式、静电式和压电式三种能量收集方式的研究最为成熟和广泛，这三种能量转换方式分别通过压电片形变、电容器电容变化和线圈电磁感应将机械能转化为电能。
静电式集能器的工作原理是基于可变电容器，初始时刻在极板间加载一定的极化电压，以保证起始电荷量和电压差，然后当外界动能驱动使极板之间的间距或相对面积发生改变时，电容器的电压发生变化，进而在外接电路上产生电流。根据改变电容方式的不同可将静电式能量采集器分为变间距式和变面积式两种。静电式集能器的优点在于很容易与各种微机电系统(MEMS)集成，适合应用于小尺度场合，可输出较高的电压，但其需要外加电源或内置电源产生初始的电荷分离进而放大，并且有输出电流小、输出阻抗过高和制作复杂等缺点，极大地限制了其应用发展。
压电式能量转换装置是利用压电陶瓷的正压电效应，将机械能通过使压电陶瓷产生形变从而转化为电能。目前，压电材料中最常用的有锆钛酸铅(PZT)和聚偏氟乙烯(PVDF)。常见的压电式能量采集器结构有悬臂梁结构、多层结构、圆形结构等。其中，压电式能量采集器最为普遍的形式为悬臂梁结构。包括振动基座、悬臂梁和质量块，悬臂梁上附着有压电薄膜，通过外界振动引起悬臂梁端部质量块发生谐振，从而带动梁上压电材料的形变，从而将机械能转换为电能。压电式能量转换装置发出的电压高，但电流小。
电磁式能量采集器是利用法拉第电磁感应定律，外界动能使磁铁和线圈发生相对位移，引起线圈磁通量发生变化从而将机械能转换为电能。电磁式能量采集器可大致分为两类，一类是直线共振型，另一类是非共振转动型。直线式振动能量收集器通过线圈和永磁体的直线相对位移将机械能转化为电能，转动能量收集器则是通过非平衡转子或齿轮传动装置将直线运动转化为永磁体或线圈的转动进而实现能量转换。
2003年，香港中文大学研制了一种AA电池微型发电装置，如图1所示。该装置采用盘式弹簧与永磁体构件构成谐振系统，在装置内集成机电转换和能量管理电路。实验结果显示，在工作于111Hz振动频率时，在100kΩ外加负载下，输出功率约为20μW，输出电压峰—峰值可达1.44V。
2005年Rome et al.研究了一种将背包内所携带的负载在垂直方向产生的机械能转化为电能的背包装置，利用线性轴承和一系列弹簧来支撑悬挂在肩部安全带和框架上的负载，使负载相对于框架垂直运动，而后，利用齿轮齿条式发电机将这种相对运动的机械能转变为电能。实验结果表明，该装置可产生的最大输出功率约为7.37W。
以上装置属于直线共振型电磁能量转换装置，为吸收较大能量须具有较大的振动质量，会额外加重人体行走时的负担。
2009年，国防科技大学单庆晓等人提出了一种收集人足部运动能量的旋转式能量采集器。该发电装置利用一个非平衡偏心转子将人体行走时足部的摆动能量转换为转子的旋转能量发电，再将电能通过整流器整流，为置于鞋后侧的电池等用电装置供电。实验测试表明，在人体正常步速2Hz条件下，可产生0.896W的输出功率。
2014年，Jie-hong LI等人，提出了一种置于手腕的永磁体摆锤作为转子的微型发电装置，该装置由一个永磁体偏心摆锤转子，18个线圈组成的定子和位于轴承上的一个扭力弹簧组成。当人体胳膊摆动时，偏心转子将手臂的摆动转化为转子的旋转，从而在定子线圈中产生变化的磁场，扭力弹簧的使用可将水平和垂直的摆动都能转化为转子的旋转运动。经仿真计算表明，在人体正常行走状态下，当转子直径为40mm、50g重时，可产生30mW的输出功率；当转子直径为70mm、50g重时，可产生100mW的输出功率。
非共振旋转型能量转换装置为实现转子的连续旋转发电，转子重量和重心所在位置需满足特定的公式，且输出电压较低，后续电能转换较困难。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种基于单摆和压电效应的复合能量收集式人体动力发电装置，可以充分吸收人体行走时手部和腿部摆动的动能，综合利用压电和电磁感应把吸收的动能转换为电能，存储后可为各种便携式电子设备供电。
为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：一种基于单摆和压电效应的复合能量收集式人体动力发电装置，包括电能处理部分、壳体、转子、永磁体、线圈绕组、压电悬臂梁、转轴、固定部和连接件，其中所述电能处理部分的下方固定壳体，在壳体的中部固定有若干线圈绕组；壳体的上部与电能处理部分连接处为固定部，在固定部中设置有轴承，转子上设置有转轴，转轴与轴承连接，转子的下方通过连接件与永磁体连接，使永磁体与线圈绕组的水平位置保持一致；在壳体上与转子带动永磁体摆动的两侧边界相对应的位置处设置有压电悬臂梁，压电悬臂梁的宽度大于壳体厚度。
进一步，上述方案中，在所述永磁体摆动所覆盖的范围内均设置有线圈绕组。
本发明的具体实施例中，所述壳体的正面为扇形。连接件的一端与转子固定，另一端固定于永磁体中部。连接件为一根柱状结构，或由两根柱状结构构成。
本发明的发电装置佩戴在人手腕部或绑缚在腿部。
本发明基于重力作用下的单摆原理和压电效应(而不是利用振动换能)，充分利用人体行走时手臂摆动和双脚前后运动的动能，把人体运动能量转换为电能。其能量收集过程中转子仅在垂直平面上摆动，无需作圆周运动，能有效收集人体行走过程中的低频振动动能，而现有的非平衡摆式人体动能收集方式都要求转动部件的连续旋转，在设计和实现上要求的条件较高；本发明中转子运动到两侧边界时的剩余能量由压电悬臂梁吸收，有利于能量收集的最大化。
附图说明
图1为AA电池微型发电装置；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本装置能量收集功能实现流程图；
图4为不同步数下本发明装置的输出功率；
图中：1-电能处理部分；2-壳体；3-转子；4-永磁体；5-线圈绕组；6-压电悬臂梁；7-转轴；8-固定部；9-连接件。
具体实施方式
本发明装置的结构如图2所示，装置下部为壳体2和转子3，壳体3中部固定线圈绕组5，两侧固定压电悬臂梁6。壳体2与电能处理部分1的连接处为固定部8，在固定部8上固定轴承，转子3上的转轴7通过轴承与壳体2相连，转子3通过转轴7和轴承配合能在平行于壳体2的平面内旋转，从而带动通过连接件9与转子3连接的永磁体4摆动。装置上部为电能处理部分1，用于处理装置发出的电能。该装置佩戴在佩戴者的手腕部或绑缚在腿部，当人体静止站立时，永磁体4在重力作用下处于垂直向下的位置，人体行走时，装置壳体2随手和腿前后运动，永磁体转子则相对于壳体做往复摆动，一方面切割固定在壳体2上的线圈绕组5发电，另一方面，由于壳体2两边限位处安装有压电悬臂梁6，永磁体4摆动冲击到压电悬臂梁6的压电元件上时，压电元件发生振动输出电能，随着前后运动，永磁体4不断冲击壳体两边的压电悬臂梁6，提供其持续振动的能量。线圈绕组5中发出的电能和压电悬臂梁6发出的电能经过电能处理部分1转换和存储，可以为小型移动式设备供电。电能处理部分1采用LINEAR公司的毫微功率能量收集模块LTC3588-2，其功能是把线圈和压电悬臂梁输出的交流电整流后再进行DC-DC变换，输出电压为3.45V或4.1V，适宜为便携式电子设备所常用的小容量锂离子电池或磷酸铁锂电池充电。
本装置能量收集功能实现流程如图3所示，人体运动时，转子摆动，利用电磁感应发电，再由电能处理部分(LTC3588-2)处理后，为锂电池充电。同时转子摆动冲击压电悬臂梁，产生压电效应，由电能处理部分(LTC3588-2)处理后，为锂电池充电。
将该装置佩戴于被测者腿部或手腕部进行实验，在被测者行走在不同行进速度下测出装置的平均输出功率见图4。
Claims (6)
1.一种基于单摆和压电效应的复合能量收集式人体动力发电装置，其特征在于：包括电能处理部分(1)、壳体(2)、转子(3)、永磁体(4)、线圈绕组(5)、压电悬臂梁(6)、转轴(7)、固定部(8)和连接件(9)，其中所述电能处理部分(1)的下方固定壳体(2)，在壳体(2)的中部固定有若干线圈绕组(5)；壳体(2)的上部与电能处理部分(1)连接处为固定部(8)，在固定部(8)中设置有轴承，转子(3)上设置有转轴(7)，转轴(7)与轴承连接；转子(3)的下方通过连接件(9)与永磁体(4)连接，使永磁体(4)与线圈绕组(5)的水平位置保持一致；在壳体(2)上与转子(3)带动永磁体(4)摆动的两侧边界相对应的位置处设置有压电悬臂梁(6)，压电悬臂梁(6)的宽度大于壳体(2)厚度。
2.根据权利要求1所述一种基于单摆和压电效应的复合能量收集式人体动力发电装置，其特征在于：在所述永磁体(4)摆动所覆盖的范围内均设置有线圈绕组(5)。
3.根据权利要求1或2所述一种基于单摆和压电效应的复合能量收集式人体动力发电装置，其特征在于：所述壳体(2)的正面为扇形。
4.根据权利要求3所述一种基于单摆和压电效应的复合能量收集式人体动力发电装置，其特征在于：所述连接件(9)的一端与转子(3)固定，另一端固定于永磁体(4)中部。
5.根据权利要求4所述一种基于单摆和压电效应的复合能量收集式人体动力发电装置，其特征在于：所述连接件(9)为一根柱状结构，或由两根柱状结构构成。
6.根据权利要求1或2或4或5所述一种基于单摆和压电效应的复合能量收集式人体动力发电装置，其特征在于：所述发电装置佩戴在人手腕部或绑缚在腿部。
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