CN107086816B - 一种振动、温差复合型压电自发电电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种振动、温差复合型压电自发电电池，包括：电池顶盖、电池外壳、冷却箱、导热杆、压电悬臂梁、吸热底座和碟形热双金属片。其中：所述电池顶盖和电池外壳组成了电池封闭密封腔体；所述吸热底座吸收环境热量；所述导热杆、压电悬臂梁、碟形热双金属片组成了压电发电单元；所述冷却箱为迅速降温装置。当布置该装置的微机电设备受热，在碟形热双金属片往复变形下导热杆会上下运动，导致压电发电单元发电；当布置该装置的微机电设备受振动，压电悬臂梁也会发生往复振动。该装置用在微机电设备时，可以满足为微机电设备供电需求，且具有结构简单、环境适应性强、俘能效率高和易于集成等优点。

Description

一种振动、温差复合型压电自发电电池
技术领域
本发明属于压电发电领域，具体涉及一种振动、温差复合型压电自发电电池。
背景技术
近年来，随着微机电设备(MEMS)在无线传感器网络节点、军事武器、航空航天、医疗等领域的应用，微机电设备供电问题引起人们广泛关注。传统化学电池存在电池寿命有限、不易于集成、环境适应性差和有污染等问题，传统线路直接供电并不能应用于特定场合的微机电设备。因此，自供电设备越来越受关注，利用太阳能发电、电磁发电、温差发电、振动发电、风力发电等设备层出不穷，但其各有利弊。其中利用环境振动促使压电发电单元发电的自供电装置由于利于集成、环境适应性强和无电磁干扰等优点成为热门研究方向。然而现有振动俘能装置只能利用环境振动发电，当布置该振动俘能装置的微机电设备不发生振动时，则不能正常发电，因此俘能效率受到限制。
发明内容
为了解决目前利用振动的压电俘能装置只能利用单一环境振动发电的问题，提出了一种振动、温差复合型压电自发电电池。该振动、温差复合型压电自发电电池由电池顶盖、电池外壳、冷却箱、导热杆、压电悬臂梁、吸热底座和碟形热双金属片组成。其中所述电池顶盖和电池外壳组成了电池封闭密封腔体，所述吸热底座用来吸收外界热量；当吸热底座吸收的热量足够多时，将导致原本下凹的碟形热双金属片发生向上凸起的变形，从而带动传热杆向上运动，此时布置在传热杆上的压电悬臂梁会发生振动，当传热杆向上运动穿过冷却箱正中时，冷却箱会吸收导热杆热量，待传热杆冷却一定温度，与之连接的碟形热金属片温度随之降低，碟形热双金属片将向下变形，这时传热杆上压电悬臂梁再次发生振动，导热杆上升与下降过程压电悬臂梁均发电。当布置该装置的微机电装置不受热但发生振动时，导热杆上压电悬臂梁也会发生振动，导致压电片发电。该振动、温差复合型压电自发电电池既能利用振动发电、也能利用温差发电增加了能量俘获方式，提高了能量俘获效率。当将其布置到适用的微机电设备，可以满足微机电设备用电需求，具有结构简单、环境适应性强、俘能效率高和易于集成等优点。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一种振动、温差复合型压电自发电电池，包括：电池顶盖(1)、电池外壳(2)、冷却箱(3)、导热杆(4)、压电悬臂梁(5)，其特征在于还包括吸热底座(6)和碟形热双金属片(7)，其中：所述电池顶盖(1)是一圆片形构件，圆片正中布置有电极；所述电池外壳(2)是一带底的圆筒形构件，筒底外表面正中布置有电极；所述电池顶盖(1)下表面和电池外壳(2)上端面连接组成电池封闭密封腔体；所述冷却箱(3)是一圆环形壳体，圆环壳体中空，其内部装满冷却液体；所述冷却箱(3)上表面连接在电池顶盖下表面上，外圆柱面与电池外壳(2)内圆柱面接触；所述导热杆(4)是一导热系数较高的轴；所述压电悬臂梁(5)由弹性基板(51)、扇形压电片(52)和质量块(53)组成；弹性基板(51)由圆环片以及圆环片外阵列的若干扇形悬臂梁组成，扇形压电片(52)粘贴在扇形悬臂梁上表面，质量块(53)粘贴在扇形悬臂梁外缘上表面；所述导热杆(4)穿过压电悬臂梁(5)；所述压电悬臂梁(5)连接在导热杆(4)正中位置；所述吸热底座(6)为圆柱形构件，其上表面布置一略小于圆柱直径的球底槽，内侧面下缘布置一周向沉槽；所述吸热底座(6)安装在电池外壳(2)内侧底面上且与电池外壳(2)为过渡配合；所述碟形热双金属片(7)是由上下层为不同金属材料制成的碟形薄片构件，其中下层的金属材料热膨胀系数远大于上层金属的热膨胀系数；所述碟形热双金属片(7)正中布置一通孔，四周安装在吸热底座(6)周向沉槽中；所述碟形热双金属片(7)凸面与吸热底座(6)上碟形沉槽面接触；所述导热杆(4)末端过盈配合安装在碟形热双金属片(7)正中通孔上。
所述碟形热双金属片(7)可以用形状记忆合金制成的碟形薄片代替。
工作时，该振动、温差复合型压电自发电电池布置于受热的微机电设备时，该装置吸热底座可以吸收热量，当吸热底座吸收的热量足够多时，将导致原本下凹的碟形热双金属片发生向上凸起的变形，从而带动传热杆向上运动，此时布置在传热杆上的压电悬臂梁会发生振动，当传热杆向上运动穿过冷却箱正中时，冷却箱会吸收导热杆热量，待传热杆冷却一定温度，与之连接的碟形热金属片温度随之降低，碟形热双金属片将向下变形，这时传热杆上压电悬臂梁再次发生振动，导热杆上升与下降过程压电悬臂梁均可发电。当布置该装置的微机电装置不受热但发生振动时，导热杆上压电悬臂梁也会发生振动，导致压电片发电。该振动、温差复合型压电自发电电池既能利用振动发电、也能利用温差发电增加了能量俘获方式，提高了能量俘获效率。当将其布置到适用的微机电设备，可以满足微机电设备用电需求，具有结构简单、环境适应性强、俘能效率高和易于集成等优点。
附图说明
图1是本发明的一种振动、温差复合型压电自发电电池装配关系示意图。
图2是本发明的一种振动、温差复合型压电自发电电池初始状态剖视图。
图3是本发明的一种振动、温差复合型压电自发电电池受热状态剖视图。
具体实施方式
参照图1、图2和图3，本发明一种振动、温差复合型压电自发电电池包括：电池顶盖(1)、电池外壳(2)、冷却箱(3)、导热杆(4)、压电悬臂梁(5)，其特征在于还包括吸热底座(6)和碟形热双金属片(7)，其中：所述电池顶盖(1)是一圆片形构件，圆片正中布置有电极；所述电池外壳(2)是一带底的圆筒形构件，筒底外表面正中布置有电极；所述电池顶盖(1)下表面和电池外壳(2)上端面焊接组成电池封闭密封腔体；所述冷却箱(3)是一圆环形壳体，圆环壳体中空，其内部装满冷却液体；所述冷却箱(3)上表面粘接在电池顶盖下表面上，外圆柱面与电池外壳(2)内圆柱面接触；所述导热杆(4)是一导热系数较高的轴；所述压电悬臂梁(5)由弹性基板(51)、扇形压电片(52)和质量块(53)组成；弹性基板(51)由圆环片以及圆环片外阵列的若干扇形悬臂梁组成，扇形压电片(52)粘贴在扇形悬臂梁上表面，质量块(53)粘贴在扇形悬臂梁外缘上表面；所述导热杆(4)穿过压电悬臂梁(5)；所述压电悬臂梁(5)焊接在导热杆(4)正中位置；所述吸热底座(6)为圆柱形构件，其上表面布置一略小于圆柱直径的球底槽，内侧面下缘布置一周向沉槽；所述吸热底座(6)安装在电池外壳(2)内侧底面上且与电池外壳(2)为过渡配合；所述碟形热双金属片(7)是由上下层为不同金属材料制成的碟形薄片构件，其中下层的金属材料热膨胀系数远大于上层金属的热膨胀系数；所述碟形热双金属片(7)正中布置一通孔，四周安装在吸热底座(6)周向沉槽中；所述碟形热双金属片(7)凸面与吸热底座(6)上碟形沉槽面接触；所述导热杆(4)末端过盈配合安装在碟形热双金属片(7)正中通孔上。
所述碟形热双金属片(7)可以用形状记忆合金制成的碟形薄片代替。
工作时，该振动、温差复合型压电自发电电池布置于受热的微机电设备时，该装置吸热底座可以吸收热量，当吸热底座吸收的热量足够多时，将导致原本下凹的碟形热双金属片发生向上凸起的变形，从而带动传热杆向上运动，此时布置在传热杆上的压电悬臂梁会发生振动，当传热杆向上运动穿过冷却箱正中时，冷却箱会吸收导热杆热量，待传热杆冷却一定温度，与之连接的碟形热金属片温度随之降低，碟形热双金属片将向下变形，这时传热杆上压电悬臂梁再次发生振动，导热杆上升与下降过程压电悬臂梁均可发电。当布置该装置的微机电装置不受热但发生振动时，导热杆上压电悬臂梁也会发生振动，导致压电片发电。该振动、温差复合型压电自发电电池既能利用振动发电、也能利用温差发电增加了能量俘获方式，提高了能量俘获效率。当将其布置到适用的微机电设备，可以满足微机电设备用电需求，具有结构简单、环境适应性强、俘能效率高和易于集成等优点。

Claims (2)

1.一种振动、温差复合型压电自发电电池，包括：电池顶盖（1）、电池外壳（2）、冷却箱（3）、导热杆（4）、压电悬臂梁（5），其特征在于还包括吸热底座（6）和碟形热双金属片（7），其中：所述电池顶盖（1）是一圆片形构件；所述电池外壳（2）是一带底的圆筒形构件；所述电池顶盖（1）下表面和电池外壳（2）上端面连接组成电池封闭密封腔体；所述冷却箱（3）是一圆环形壳体，圆环壳体中空，其内部装满冷却液体；所述冷却箱（3）上表面连接在电池顶盖下表面上，外圆柱面与电池外壳（2）内圆柱面接触；所述导热杆（4）是一导热系数较高的轴；所述压电悬臂梁（5）由弹性基板（51）、扇形压电片（52）和质量块（53）组成；弹性基板（51）由圆环片以及圆环片外阵列的若干扇形悬臂梁组成，扇形压电片（52）粘贴在扇形悬臂梁上表面，质量块（53）粘贴在扇形悬臂梁外缘上表面；所述导热杆（4）穿过压电悬臂梁（5）；所述压电悬臂梁（5）连接在导热杆（4）正中位置；所述吸热底座（6）为圆柱形构件，其上表面布置一略小于圆柱直径的球底槽，内侧面下缘布置一周向沉槽；所述吸热底座（6）安装在电池外壳（2）内侧底面上且与电池外壳（2）为过渡配合；所述碟形热双金属片（7）是由上下层为不同金属材料制成的碟形薄片构件，其中下层的金属材料热膨胀系数远大于上层金属的热膨胀系数；所述碟形热双金属片（7）正中布置一通孔，四周安装在吸热底座（6）周向沉槽中；所述碟形热双金属片（7）凸面与吸热底座（6）上碟形沉槽面接触；所述导热杆（4）末端过盈配合安装在碟形热双金属片（7）正中通孔上。
2.根据权利要求1所述的一种振动、温差复合型压电自发电电池，其特征在于：所述碟形热双金属片（7）用形状记忆合金制成的碟形薄片代替。
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