CN108718160A - 基于机械振动的压电换能系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于机械振动的压电换能系统及方法，其中，系统包括：能量采集系统，用于产生机械振动，并根据振动产生的能量进行压电转换，以生成交流电；整流升压电路，用于根据交流电生成直流电；稳流稳压系统，用于将生成的直流电输出为稳定的直流电。该系统通过压电转换将振动的能量转换为电能，从而充分利用环境中废弃的振动机械能，有效提高机械设备的可靠性，有效利用振动的能量，节能环保。
Description
技术领域
本发明涉及能源转换技术领域，特别涉及一种基于机械振动的压电换能系统及方法。
背景技术
目前，周围环境中振动无处不在，这些振动会给机械设备带来结构的损伤，缩短其使用寿命，同时对环境产生一定的噪音污染，不但降低机械设备的可靠性，而且产生大量噪音污染。
然而，机械振动中蕴含着丰富的能量，相关技术并没有将这些振动能量有效收集起来并进行利用，容易导致浪费能源。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于机械振动的压电换能系统，该系统可以有效提高机械设备的可靠性，有效利用振动的能量，节能环保。
本发明的另一个目的在于提出一种基于机械振动的压电换能方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于机械振动的压电换能系统，包括：能量采集系统，用于产生机械振动，并根据振动产生的能量进行压电转换，以生成交流电；整流升压电路，用于根据所述交流电生成直流电；稳流稳压系统，用于将生成的所述直流电输出为稳定的直流电。
本发明实施例的基于机械振动的压电换能系统，通过压电转换将振动的能量装换为电能，充分利用环境中废弃的振动机械能，有效减少振动能量给机械设备的结构损伤，减轻环境污染，从而有效提高机械设备的可靠性，有效利用振动的能量，节能环保。
另外，根据本发明上述实施例的基于机械振动的压电换能系统还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述能量采集系统包括：壳体，所述壳体具有空腔；多个振动装置，所述振动装置设置在所述空腔内，用于产生振动；多片压电振子，所述压电振子设置在所述空腔的腔体壁上，以在所述振动装置振动时，感测所受外力以产生所述交流电。
进一步地，在本发明的一个实施例中，整流升压电路还用于存储所述交流电，以为电路持续并稳定的供电。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述腔体可以为6个面。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述振动装置为空腔及空腔内重物，所述重物随其接触的外界环境的振动产生振动，所述重物挤压压电振子，所述压电振子产生形变以生成交流电。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述压电振子可以为压电陶瓷片。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多片压电振子为6片，分别布置在所述腔体的腔壁上。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于机械振动的压电换能方法，包括以下步骤：将机械振动产生的能量进行压电转换，以生成交流电；根据所述交流电生成直流电；将生成的所述直流电输出为稳定的直流电。
本发明实施例的基于机械振动的压电换能方法，通过压电转换将振动的能量装换为电能，充分利用环境中废弃的振动机械能，有效减少振动能量给机械设备的结构损伤，减轻环境污染，从而有效提高机械设备的可靠性，有效利用振动的能量，节能环保。
另外，根据本发明上述实施例的基于机械振动的压电换能方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，存储所述交流电，以为电路持续并稳定的供电。
进一步地，在本发明的一个实施例中，跟据接触的外界环境的振动动产生机械振动，并进行压电转换以生成交流电。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的基于机械振动的压电换能系统的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的设计思路流程图；
图3为根据本发明一个实施例的简支梁支撑方式示意图；
图4为根据本发明一个实施例的能量采集系统图的实物示意图；
图5为根据本发明一个实施例的整流升压电路图；
图6为根据本发明一个实施例的稳流稳压电路图；
图7为根据本发明一个实施例的基于机械振动的压电换能方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在介绍基于机械振动的压电换能系统及方法之前，先简单介绍一下相关技术的压电技术。
在工业发展，能源紧缺的当下，压电发电技术作为一种新的绿色环保技术已成为当今的研究热点，由于其具有机电耦合性能好，体积小、质量轻、节能环保、绿色低碳、可将废弃能重新利用等优良特点，被学者广泛研究。
压电材料的应用领域可以粗略分为两大类：即振动能和超声振动能-电能换能器应用，包括电声换能器，水声换能器和超声换能器等，以及其它传感器和驱动器应用。其中压电传感器在无论是在生活中还是科研中都有比较广泛的应用。
然而压电材料还未应用到直接收集振动能量方面，且压电元件的材料和尺寸在某些场景下不合适。如果将这些振动能量收集起来，转换为电能的形式加以利用，不但能减少结构损伤，减轻环境污染，而且是一种新的供能方式，有很好的节能减排效益。
正是基于上述原因，本发明实施例提出了一种基于机械振动的压电换能系统及方法。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于机械振动的压电换能系统及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于机械振动的压电换能系统。
图1是本发明一个实施例的基于机械振动的压电换能系统的结构示意图。
如图1所示，该基于机械振动的压电换能系统10包括：能量采集系统100、整流升压电路200和稳流稳压系统300。
其中，能量采集系统100用于产生机械振动，并根据振动产生的能量进行压电转换，以生成交流电。整流升压电路200用于根据交流电生成直流电。稳流稳压系统300用于将生成的直流电输出为稳定的直流电。本发明实施例的系统10通过压电转换将振动的能量装换为电能，从而充分利用环境中废弃的振动机械能，有效提高机械设备的可靠性，有效利用振动的能量，节能环保。
可以理解的是，本发明实施例通过压电转换技术，充分利用环境中废弃的振动机械能，实现机械能到电能的转化，并达到能为传感器等微功率电器供电的目的。
具体而言，如图2所示，本发明实施例通过压电转换产生的电流为不稳定低压交流电，通过整流升压电路，该交流电转换为波动较小的直流电，再通过MAX1672芯片的稳流稳压功能，最终实现直流电的稳定输出。
进一步地，在本发明的一个实施例中，能量采集系统100包括：壳体、多个振动装置和多片压电振子。
其中，壳体具有空腔；振动装置设置在空腔内，用于产生振动；压电振子设置在空腔的腔体壁上，以在振动装置振动时，感测所受外力以产生交流电。
可选地，在本发明的一个实施例中，腔体可以为6个面。本领域的技术人员可以实际使用需求设置腔体的具体形状，例如腔体可以圆柱形，在此不做具体限制。
可选地，在本发明的一个实施例中，多片压电振子为6片，分别布置在腔体的腔壁上。其中，压电振子的设置在腔体的每一个面上，以实现振动能量最大效率的转换为电能，并且压电振子的设置根据腔体的具体形状而设定，本领域技术人员可以根据实际情况进行设置，在此不做具体限定。
进一步地，在本发明的一个实施例中，振动装置为空腔及空腔内重物，重物随其接触的外界环境的振动产生振动，重物挤压压电振子，压电振子产生形变以生成交流电。
可选地，在本发明的一个实施例中，压电振子可以为压电陶瓷片。其中，压电振子材料的选择可以有很多种，能够实现将压力转换为电能即可，为避免冗余，在此不做具体限定。
举例而言，能量采集系统100的实物图如图3所示。能量采集系统100采用ABS工程塑料制作一个空腔，在空腔内布置压电片，通过空腔内一重物在振动时挤压压电片产生电量。空腔及腔内重物由其接触的外界环境的振动而随环境振动，重物挤压铺设在腔体壁上的压电片使其发生形变，并产生不规律的交流电。
腔体的尺寸为：85mm×100mm×55mm，选用ABS工程塑料并用502胶粘剂粘合。本发明实施例选择压电陶瓷片作为压电振子，在正四棱柱腔体内部的六个面上布置六块压电陶瓷片，六片压电振子的尺寸分别为：2片50mm×50mm方形片，布置在四棱柱的上下两底面；4片30mm×50mm长方形片，布置在四棱柱的四个侧面。压电振子的支撑采用简支梁支撑方式，其支撑方式和具体结构如图4所示。
进一步地，在本发明的一个实施例中，整流升压电路还用于存储交流电，以为电路持续并稳定的供电。
具体而言，压电振子产生的电能瞬时功率相对较小，不能直接为用电器件提供驱动能量。要稳定利用压电振子产生的电量需首先进行电荷积累，本发明实施例选择性能较好的一级储能元件将积累的电荷储存起来，使其能够给后续的电路持续并稳定地供电，电路图 5所示，元件参数如表1所示。在外部振动环境的激励下，经过一定时间以后，超级电容就能够收集储存从能量采集装置产生的电量为下一级的能量转化储存电路提供相对稳定的电流。其中，表1为整流升压电路元件参数表。
表1
| 元件符号 | 元件名称、型号 | 元件符号 | 元件名称、型号 |
| PZT | 压电片 | D1 | 二极管1N4007 |
| C1 | 瓷片电容104 | D2 | 二极管1N4007 |
| C2 | 瓷片电容103 | Cd | 超级电容 |
进一步地，稳流稳压系统300的电路图如图6所示，稳流稳压系统是由一块具备稳压稳流功能的芯片及其周边电路所组成。例如，芯片是MAX1672型，输入电压范围为1.8V-11V，输出电压范围为1.25V-5.5V。由能量转换及储存电路输出的经过倍压之后的电压符合MAX1672的额定工作电压，通过研究采用MAX1672芯片实现对储能电路供给的不稳定电流的稳流，由OUT接口输出稳定的电流，测得其值可达4.2V,100mA，从而由其接充电端口实现充电。本发明实施例通过调整MAX1672芯片外接电阻、电容的参数，将这些参数调整至最优化，使芯片能够输出最稳定、最符合理论值的电压和电流。其中，元件参数如表2所示，表2为稳流稳压电路元件参数表。
表2
综上，本发明实施例的系统10机械结构简单，其本身安全稳定度较高，通过压电片转换的电压电流较小，对一般的工业生产不会造成危害(具体应用场景还需根据实际情况分析)，并还可根据具体情况调整尺寸，安装在合适的位置。
根据本发明实施例提出的基于机械振动的压电换能系统，有效提高压电发电振子在有效体积内的发电量，高效地实现能量的转换以及储存，充分利用了存在振动、运动的场合的废弃能，将其转化为电能，特别是对诸如无线传感器网络节点这种低功耗，难维护的供电设备。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于机械振动的压电换能方法。
图7是本发明一个实施例的基于机械振动的压电换能方法的流程图。
如图7所示，该基于机械振动的压电换能方法包括以下步骤：
在步骤S701中，将机械振动产生的能量进行压电转换，以生成交流电。
在步骤S702中，根据交流电生成直流电。
在步骤S703中，将生成的直流电输出为稳定的直流电。
进一步地，在本发明的一个实施例中，存储交流电，以为电路持续并稳定的供电。
进一步地，在本发明的一个实施例中，根据接触的外界环境的振动动产生机械振动，并进行压电转换以生成交流电。
需要说明的是，前述对基于机械振动的压电换能系统实施例的解释说明也适用于该实施例的基于机械振动的压电换能方法，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的基于机械振动的压电换能方法，有效提高压电发电振子在有效体积内的发电量，高效地实现能量的转换以及储存，充分利用了存在振动、运动的场合的废弃能，将其转化为电能，特别是对诸如无线传感器网络节点这种低功耗，难维护的供电设备。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于机械振动的压电换能系统，其特征在于，包括：
能量采集系统，用于产生机械振动，并根据振动产生的能量进行压电转换，以生成交流电；
整流升压电路，用于根据所述交流电生成直流电；以及
稳流稳压系统，用于将生成的所述直流电输出为稳定的直流电。
2.根据权利要求1所述的基于机械振动的压电换能系统，其特征在于，所述能量采集系统包括：
壳体，所述壳体具有空腔；
多个振动装置，所述振动装置设置在所述空腔内，用于产生振动；
多片压电振子，所述压电振子设置在所述空腔的腔体壁上，以在所述振动装置振动时，感测所受外力以产生所述交流电。
3.根据权利要求1所述的基于机械振动的压电换能系统，其特征在于，整流升压电路还用于存储所述交流电，以为电路持续并稳定的供电。
4.根据权利要求2所述的基于机械振动的压电换能系统，其特征在于，所述腔体为6个面。
5.根据权利要求2所述的基于机械振动的压电换能系统，其特征在于，所述振动装置为空腔及空腔内重物，所述重物随其接触的外界环境的振动产生振动，所述重物挤压压电振子，所述压电振子产生形变以生成交流电。
6.根据权利要求5所述的基于机械振动的压电换能系统，其特征在于，所述压电振子为压电陶瓷片。
7.根据权利要求4和6所述的基于机械振动的压电换能系统，其特征在于，所述多片压电振子为6片，分别布置在所述腔体的腔壁上。
8.一种基于机械振动的压电换能方法，其特征在于，包括以下步骤：
将机械振动产生的能量进行压电转换，以生成交流电；
根据所述交流电生成直流电；以及
将生成的所述直流电输出为稳定的直流电。
9.根据权利要求8所述的基于机械振动的压电换能方法，其特征在于，存储所述交流电，以为电路持续并稳定的供电。
10.根据权利要求8所述的基于机械振动的压电换能方法，其特征在于，根据接触的外界环境的振动动产生机械振动，并进行压电转换以生成交流电。
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