CN108471257B - 一种压电振动能量收集结构 - Google Patents
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Abstract
一种压电振动能量收集结构，涉及机械工程领域。本发明是为了解决现有的压电振动能量收集结构存在利用率低、输出能量低、结构大的问题。碳纤维复合材料层作为导电层，玻璃纤维复合材料层作为绝缘层，便于实现压电层的串联或并联，串联型的外部的两个压电陶瓷片极化方向也相反，并联型的压电陶瓷片极化方向相同。它通过振动产生交流电压经过整流后变成直流电压进行工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用串联电源或者并联电源的方式使压电陶瓷片产生相同方向或相反方向的能量收集装置，属于机械工程领域。
背景技术
据统计，全球已经布设了数千张无线蜂窝网络，并且有超过1000万台基站在线运营，然而，不断扩大的网络规模一方面为运营商带来了更多的开销成本，另外也产生了更多的排放。所以，人们对于未来无线通信系统的设计要求己经从单纯的提髙系统频谱效率获取更大容量，逐渐向在确保通信服务质量的基础上尽可能减少能耗及碳排放的绿色通信系统转变。目前，为无线传感网络节点供能的方式主要有传统的化学电池、热电效应、太阳能发电、磁电效应和压电能量收集等。压电能量收集是利用环境振动引发压电材料产生应变，从而引起材料内部的正负电荷中心偏离，产生极化电压，极化电压将驱动极板上的自由电荷定向流动而输出电能。压电能量收集按照能量来源的种类可分为生物型压电能量收集器和环境型压电能量收集器。生物型压电能量收集器利用各种生物尤其是人类的日常活动中的一些振动，如血液流动、呼吸、上肢或手指的动作、行走等蕴含的可利用的能量来进行能量获取。环境型压电能量收集器则以各种非生物的或环境中的振动为能量源，通过振源的振动带动压电结构振动，发生形变，从而产生电能。这种类型的能量收集器能量来源多，且能够在野外无人区或有毒环境中工作，且无污染、可再生，不需要消耗任何的燃料。压电机理能够产生较高电压，和WSN系统的融合性较好，压电方式收集电能的设备具有设备结构简单、无热效应、不受电磁波影响、加工制作方便等优点。所以基于以上优点，压电材料在自然环境中能量收集技术方面的发展前景很广阔。
目前，压电振动能量收集多采用悬臂梁形式，结构主要包括弹性层、压电层和质量块。常用的结构形式有两种：一是在弹性层表面附加一层压电层(如PZT、MFC)，二是在弹性层的上下表面各附加一层压电层，通过串联或并联连接起来。为了获得更多的能量输出，增大压电层的使用面积是一个非常有效的手段，但目前大多数的结构设计都是在长度方向或者宽度方向增加压电层的面积，这使得结构尺寸大大增加，不利于小型化。因此，设计一种高效的、高输出以及结构紧凑的压电振动能量收集结构至关重要。
发明内容
本发明是为了解决现有的压电振动能量收集结构存在利用率低、输出能量低、结构大的问题。现提供一种压电振动能量收集结构。
一种压电振动能量收集结构，该结构为串联型，它包括压电悬臂梁5，
压电悬臂梁5包括2(n-1)层碳纤维复合材料层1、n-1层玻璃纤维复合材料层2、n层压电陶瓷片3和导线4，n为大于等于4的偶数，
n‐1层玻璃纤维复合材料层2沿竖直方向并行排列，且压电悬臂梁5的中间层为一层玻璃纤维复合材料层2，该中间层的上下面对称各铺设有层玻璃纤维复合材料层2，每相邻两层玻璃纤维复合材料层2之间设置有一组压电振动结构，压电振动结构由两层碳纤维复合材料层1和位于该两层碳纤维复合材料层1中间的一层压电陶瓷片3组成，
位于顶层的玻璃纤维复合材料层2的上表面通过一层碳纤维复合材料层1连接一层压电陶瓷片3，位于底层的玻璃纤维复合材料层2的下表面通过一层碳纤维复合材料层1连接一层压电陶瓷片3，
对称设置的两层压电陶瓷片3的极化方向相反，
压电悬臂梁5内层对称的两组压电振动结构中对称的两层碳纤维复合材料层1作为交流电的一相输出端，该对称的两组压电振动结构中对称的另外两层碳纤维复合材料层1作为交流电的另一相输出端，
压电悬臂梁5外层对称设置的两层压电陶瓷片3通过导线4连接后，作为交流电的一相输出端，与该外层压电陶瓷片3相邻的两层碳纤维复合材料层1通过导线4连接后，作为交流电的另一相输出端。
一种压电振动能量收集结构，该结构为并联型，它包括压电悬臂梁5，
压电悬臂梁5包括2n+1层碳纤维复合材料层1、n层玻璃纤维复合材料层2、2n层压电陶瓷片3和导线4，n为大于等于2的正整数，
2n+1层碳纤维复合材料层1沿竖直方向对称铺设在压电悬臂梁5上，每相邻两层碳纤维复合材料层1之间设置有一组压电振动结构，压电振动结构由三层碳纤维复合材料层1和两层压电陶瓷片3组成，且压电振动结构中相邻两层碳纤维复合材料层1之间铺设有一层压电陶瓷片3，
位于顶层的玻璃纤维复合材料层2的上表面通过一层碳纤维复合材料层1连接一层压电陶瓷片3，位于底层的玻璃纤维复合材料层2的下表面通过一层碳纤维复合材料层1连接一层压电陶瓷片3，
2n层压电陶瓷片3的极化方向均相同，
位于压电悬臂梁5中间的一层碳纤维复合材料层1通过导线4延伸出，作为交流电源的一相输出端，对称设置的两层碳纤维复合材料层1通过导线4连接后，作为交流电源的一相输出端，
每组压电振动结构中位于中间位置的碳纤维复合材料层1通过导线4连接作为交流电的一相输出端，每组压电振动结构中对称设置的两层碳纤维复合材料层1通过导线4连接后，作为交流电的另一相输出端，
压电悬臂梁5外层对称设置的两层压电陶瓷片3通过导线4连接后，作为交流电的一相输出端，与该外层压电陶瓷片3相邻的两层碳纤维复合材料层1通过导线4连接后，作为交流电的另一相输出端。
本发明的有益效果为：
碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料作为弹性层，碳纤维复合材料层作为导电层，玻璃纤维复合材料层作为绝缘层，便于实现压电层的串联或并联。碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料的铺层设计可以决定压电能量收集结构的弹性模量、泊松比、阻尼以及改变结构的固有频率。本申请结构紧凑、利用率高、输出能量大，在激振频率与结构固有频率相同时，系统的能量输出最大；本申请的整个结构中嵌入了最少四层压电层，系统在同样激励下与传统的单层或两层压电能量收集结构相比，在厚度方向增加很小的厚度即可实现能量输出的大幅增加，可以产生更多的电能，应用碳纤维导电层和玻纤的绝缘层很好的将四层压电材料集成在一起。因此，本申请与传统压电能量收集装置相比具有更高的能量转换效率，能量转换效率提高了6倍以上。
附图说明
图1为压电悬臂梁的结构示意图；
图2为图1沿长度方向的纵向剖视图，该剖面为串联型结构；
图3为图1沿长度方向的纵向剖视图，该剖面为并联型结构；
图4为串联型的压电振动能量收集结构的导线连接图；
图5为并联型压电振动能量收集结构的导线连接图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1、图2和图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种压电振动能量收集结构，该结构为串联型，它包括压电悬臂梁5，
压电悬臂梁5包括2(n-1)层碳纤维复合材料层1、n-1层玻璃纤维复合材料层2、n层压电陶瓷片3和导线4，n为大于等于4的偶数，
n‐1层玻璃纤维复合材料层2沿竖直方向并行排列，且压电悬臂梁5的中间层为一层玻璃纤维复合材料层2，该中间层的上下面对称各铺设有层玻璃纤维复合材料层2，每相邻两层玻璃纤维复合材料层2之间设置有一组压电振动结构，压电振动结构由两层碳纤维复合材料层1和位于该两层碳纤维复合材料层1中间的一层压电陶瓷片3组成，
位于顶层的玻璃纤维复合材料层2的上表面通过一层碳纤维复合材料层1连接一层压电陶瓷片3，位于底层的玻璃纤维复合材料层2的下表面通过一层碳纤维复合材料层1连接一层压电陶瓷片3，
对称设置的两层压电陶瓷片3的极化方向相反，
压电悬臂梁5内层对称的两组压电振动结构中对称的两层碳纤维复合材料层1作为交流电的一相输出端，该对称的两组压电振动结构中对称的另外两层碳纤维复合材料层1作为交流电的另一相输出端，
压电悬臂梁5外层对称设置的两层压电陶瓷片3通过导线4连接后，作为交流电的一相输出端，与该外层压电陶瓷片3相邻的两层碳纤维复合材料层1通过导线4连接后，作为交流电的另一相输出端。
压电悬臂梁5的激振方式为一端激振一端自由。
压电能量收集结构的电压输出为交流电。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式所述的一种压电振动能量收集结构作进一步说明，本实施方式中，n＝4。
本实施方式中，图4中表示的碳纤维复合材料层1为5层，玻璃纤维复合材料层2为3层，压电陶瓷片3为4层，内部两层压电陶瓷片3的上下表面均与碳纤维复合材料层1接触，中间由玻璃纤维复合材料层2绝缘开；压电陶瓷片3的极化方向按照图4中的箭头布置，内部的两个压电陶瓷片3极化方向相反，外部的两个压电陶瓷片3极化方向也相反，将振动产生的交流电压V1,V2经过整流后，变成直流电压即可工作。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种压电振动能量收集结构作进一步说明，本实施方式中，每层碳纤维复合材料层1和每层玻璃纤维复合材料层2均由至少两层纤维复合材料按照不同的铺层角度铺设成平面层。
本实施方式中，碳纤维复合材料层1可按照[α/β/α]铺层，每一个碳纤维复合材料层1和玻璃纤维复合材料层2要至少包含两层纤维复合材料，以保证碳纤维复合材料层1的导电性以及玻璃纤维复合材料层2的绝缘性。结构的弹性模量可以通过复合材料层合板理论计算得出。
具体实施方式四：参照图2、图3和图5具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种压电振动能量收集结构，该结构为并联型，它包括压电悬臂梁5，
压电悬臂梁5包括2n+1层碳纤维复合材料层1、n层玻璃纤维复合材料层2、2n层压电陶瓷片3和导线4，n为大于等于2的正整数，
2n+1层碳纤维复合材料层1沿竖直方向对称铺设在压电悬臂梁5上，每相邻两层碳纤维复合材料层1之间设置有一组压电振动结构，压电振动结构由三层碳纤维复合材料层1和两层压电陶瓷片3组成，且压电振动结构中相邻两层碳纤维复合材料层1之间铺设有一层压电陶瓷片3，
位于顶层的玻璃纤维复合材料层2的上表面通过一层碳纤维复合材料层1连接一层压电陶瓷片3，位于底层的玻璃纤维复合材料层2的下表面通过一层碳纤维复合材料层1连接一层压电陶瓷片3，
2n层压电陶瓷片3的极化方向均相同，
位于压电悬臂梁5中间的一层碳纤维复合材料层1通过导线4延伸出，作为交流电源的一相输出端，对称设置的两层碳纤维复合材料层1通过导线4连接后，作为交流电源的一相输出端，
每组压电振动结构中位于中间位置的碳纤维复合材料层1通过导线4连接作为交流电的一相输出端，每组压电振动结构中对称设置的两层碳纤维复合材料层1通过导线4连接后，作为交流电的另一相输出端，
压电悬臂梁5外层对称设置的两层压电陶瓷片3通过导线4连接后，作为交流电的一相输出端，与该外层压电陶瓷片3相邻的两层碳纤维复合材料层1通过导线4连接后，作为交流电的另一相输出端。
本实施方式中，将碳纤维复合材料层1、玻璃纤维复合材料层2按照设计的铺层方式和顺序将预浸料铺设好，并将压电陶瓷片3嵌入到压电悬臂梁5中，将以上材料一起放入热压罐或温度箱中固化，固化温度要低于压电陶瓷片3的居里温度，待固化完成，压电悬臂梁5制备完成。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的一种压电振动能量收集结构作进一步说明，本实施方式中，n＝2。
本实施方式中，图5中的碳纤维复合材料层1为5层，玻璃纤维复合材料层2为2层，压电陶瓷片3为4层，内部两层压电陶瓷片3共用一个碳纤维复合材料层1，四个压电陶瓷片3的极化方向均一致，通过图5中导线的连接方式即可实现并联。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式四所述的一种压电振动能量收集结构作进一步说明，本实施方式中，每层碳纤维复合材料层1和每层玻璃纤维复合材料层2均由至少两层纤维复合材料按照不同的铺层角度铺设成平面层。
Claims (6)
1.一种压电振动能量收集结构，该结构为串联型，其特征在于，它包括压电悬臂梁(5)，
压电悬臂梁(5)包括2(n-1)层碳纤维复合材料层(1)、n-1层玻璃纤维复合材料层(2)、n层压电陶瓷片(3)和导线(4)，n为大于等于4的偶数，
n-1层玻璃纤维复合材料层(2)沿竖直方向并行排列，且压电悬臂梁(5)的中间层为一层玻璃纤维复合材料层(2)，该中间层的上下面对称各铺设有层玻璃纤维复合材料层(2)，每相邻两层玻璃纤维复合材料层(2)之间设置有一组压电振动结构，压电振动结构由两层碳纤维复合材料层(1)和位于该两层碳纤维复合材料层(1)中间的一层压电陶瓷片(3)组成，
位于顶层的玻璃纤维复合材料层(2)的上表面通过一层碳纤维复合材料层(1)连接一层压电陶瓷片(3)，位于底层的玻璃纤维复合材料层(2)的下表面通过一层碳纤维复合材料层(1)连接一层压电陶瓷片(3)，
对称设置的两层压电陶瓷片(3)的极化方向相反，
压电悬臂梁(5)内层对称的两组压电振动结构中对称的两层碳纤维复合材料层(1)作为交流电的一相输出端，该对称的两组压电振动结构中对称的另外两层碳纤维复合材料层(1)作为交流电的另一相输出端，
压电悬臂梁(5)外层对称设置的两层压电陶瓷片(3)通过导线(4)连接后，作为交流电的一相输出端，与该压电悬臂梁(5)外层对称设置的两层压电陶瓷片(3)相邻的两层碳纤维复合材料层(1)通过导线(4)连接后，作为交流电的另一相输出端。
2.根据权利要求1所述的一种压电振动能量收集结构，其特征在于，n＝4。
3.根据权利要求1所述的一种压电振动能量收集结构，其特征在于，每层碳纤维复合材料层(1)和每层玻璃纤维复合材料层(2)均由至少两层纤维复合材料按照不同的铺层角度铺设成平面层。
4.一种压电振动能量收集结构，该结构为并联型，其特征在于，它包括压电悬臂梁(5)，
压电悬臂梁(5)包括2n+1层碳纤维复合材料层(1)、n层玻璃纤维复合材料层(2)、2n层压电陶瓷片(3)和导线(4)，n为大于等于2的正整数，
n层玻璃纤维复合材料层(2)沿竖直方向对称铺设在压电悬臂梁(5)上，每相邻两层玻璃纤维复合材料层(2)之间设置有一组压电振动结构，压电振动结构由三层碳纤维复合材料层(1)和两层压电陶瓷片(3)组成，且压电振动结构中相邻两层碳纤维复合材料层(1)之间铺设有一层压电陶瓷片(3)，
位于顶层的玻璃纤维复合材料层(2)的上表面通过一层碳纤维复合材料层(1)连接一层压电陶瓷片(3)，位于底层的玻璃纤维复合材料层(2)的下表面通过一层碳纤维复合材料层(1)连接一层压电陶瓷片(3)，
2n层压电陶瓷片(3)的极化方向均相同，
每组压电振动结构中位于中间位置的碳纤维复合材料层(1)通过导线(4)连接作为交流电的一相输出端，每组压电振动结构中对称设置的两层碳纤维复合材料层(1)通过导线(4)连接后，作为交流电的另一相输出端，
压电悬臂梁(5)外层对称设置的两层压电陶瓷片(3)通过导线(4)连接后，作为交流电的一相输出端，与该压电悬臂梁(5)外层对称设置的两层压电陶瓷片(3)相邻的两层碳纤维复合材料层(1)通过导线(4)连接后，作为交流电的另一相输出端。
5.根据权利要求4所述的一种压电振动能量收集结构，其特征在于，n＝2。
6.根据权利要求4所述的一种压电振动能量收集结构，其特征在于，每层碳纤维复合材料层(1)和每层玻璃纤维复合材料层(2)均由至少两层纤维复合材料按照不同的铺层角度铺设成平面层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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