CN109428515A - 一种微型复合振动发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型复合振动发电机，包括底座，设置在底座上的壳体，以及设置在壳体内的薄膜压电片，还包括设置在壳体上表面的太阳能光伏电池，设置在壳体内的电路板，以及与薄膜压电片连接的U型质量块，薄膜压电片与太阳能光伏电池分别通过导线与电路板连接。该发电机既能用来收集外界振动所产生的机械能，又能吸收光能，并将收集的机械能和光能转换成电能替代或者辅助电池为嵌入式传感器、无线传感器网络节点、野外生态与环境监控网络、农业及危险作业的安全监控网络和飞机、车辆、桥梁及工业设备等设施的无线状态监测系统供电。该发电机结构简单，制作方便，造价低，具有广泛的应用前景。

Description

一种微型复合振动发电机

技术领域

本发明属于微型电源技术和节能技术领域，具体是一种微型复合振动发电机。

背景技术

利用压电材料构造微型发电机在国内早有人申请，如中国专利CN1547312A “微型发电机”公开了一种电容式振动发电机，该发电机易于与其他MEMS 器件集成，但是，在开始工作时电容器需要在外电场作用下极化，这在一定程度上要受到工作环境的限制，阻碍了其进一步的发展和应用。

中国专利CN101515746A“微机电磁式能量采集器及制备方法” 公开了一种电磁式振动发电机，其克服了电容式发电机开始工作时需要外部电源推动的缺点，但由于其结构复杂，且线圈与磁铁分离，因此难以微型化。

中国专利CN2886813Y“微机低频压电俘能器”采用螺旋状双压电陶瓷片作为发电元件，其特点为体积小，能微型化，稳定性好，固有频率相对低，然而，由于螺旋状双压电陶瓷片面积较小，因此收集电荷量少，发电功率低。

中国专利CN101262189A “收集弯曲振动能量的压电式发电机” 采用d ₃₁型压电悬臂梁作为能量收集元件，具有结构简单、体积小、成本低、输出电压高，易于微型化，可应用于各种恶劣环境等特点，相对于螺旋状压电片，矩形压电片收集面积大，因此提高了收集电荷量及发电功率，然而，当环境频率与发电机固有频率不匹配时，压电悬臂梁收集效率急剧下降致使转换能量密度降低，且其自由端质量块质心集中在自由端部，质量块质量过大时，压电悬臂梁长时间振动容易引起固定端的疲劳损伤，质量块质量过小时不利于压电悬臂梁固有频率的调节。

中国专利CN102185523A“微型复合式振动发电机” 该发电机是压电与电磁复合的悬臂梁振动发电机，这种发电机虽然输出能力有一定的提高，但是这种发电机仍然要依赖环境中的振动能量，在无振动或者振动间隙较长的情况下依然无法使用，而且它质量块分散布置、电磁发电结构复杂，这均不利于批量生产。

发明内容

本发明的目的是针对上述专利申请中的不足，而提供一种发电能力强、成本低、结构简单、适应多种环境条件下的微型复合振动发电机，该发电机通过加装太阳能光伏电池板，改进控制电路和质量块结构，解决了以往微型发电机适应环境单一、微振动下发电不足、压电悬臂梁固定端易疲劳损伤和电能处理与输出控制不合理等问题。

实现本发明目的的技术方案是：

一种微型复合振动发电机，包括底座，设置在底座上的壳体，以及设置在壳体内的薄膜压电片，与现有技术不同的是：还包括设置在壳体上表面的太阳能光伏电池，设置在底座上壳体内的电路板，以及与薄膜压电片连接的U型质量块，薄膜压电片与太阳能光伏电池分别通过导线与电路板连接。

所述底座上设有支撑块，其上设有固定孔；所述薄膜压电片由弹性金属基板与压电材料粘结而成，其形状为矩形，弹性金属基板的两端分别设有通孔，弹性金属基板的一端与设在底座上的支撑块固定连接，另一端与U型质量块连接，薄膜压电片呈悬臂支撑状态。

所述压电材料和弹性金属基板的厚度均在0.2～5mm之间。

所述薄膜压电片为单晶或双晶结构。

所述薄膜压电片是是微型复合振动发电机的核心元件之一，它起到将机械能转化成电能的作用。

所述质量块固定在薄膜压电片悬臂梁自由端的金属基板上，起到调节压电片悬臂梁谐振频率的作用，质量块为U型，目的是为使其质心位置延压电片悬臂梁长度方向向压电片悬臂梁固定端转移，从而降低压电片悬臂梁的各阶固有频率，改善压电片悬臂梁固定端的应力状况，一般金属基板采用密度较大的金属材料，如铜、合金等。

所述底座用来固定薄膜压电片和电路板。

所述壳体既用来固定太阳能光伏电池，又可封装和保护其他元件，它与底座用螺钉固定连接。

所述电路板包括整流电路模块、电压检测模块、开关控制模块和电压输出模块，各模块之间用导线连接；

所述整流电路模块由分别与压电振子相连的第一整流桥411、第二整流桥构成的两组全波整流电路，以及存储电容组成，是将各个压电振子输出的交流电转化成直流电并存储在电容内；

所述电压检测模块由比较电路和第一稳压元件组成，当存储电容的电压低于比较电路所设定电压参考值时，比较电路输出为0，压电振子产生的电能继续在存储电容上累积；当存储电容的电压达到比较电路所设定电压参考值时，比较电路输出稳定的电压；

所述开关控制模块由CMOS开关和电能缓冲电路组成，其是控制存储电容与电压输出模块连接的通断，其电能由比较电路提供。

所述电压输出模块由第二稳压元件和滤波电容组成，当比较电路输出稳定电压驱动CMOS开关工作时，电压输出模块进而输出一个脉冲电压。

所述电路板的作用是处理薄膜压电片和太阳能光伏电池产生的电能，并通过电能输出端口将电能转换与控制电路积累的电能通过导线输出至负载。

所述太阳能光伏电池通过导线与电路板上的电能转换与控制电路，它起到将光能转化成电能的作用。

所述壳体和底座可以采用铝、铁等金属外壳，也可采用聚乙烯、BMC、聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS 或有机玻璃等聚合材料。

本发明公开的基于压电材料和太阳能光伏电池的微型复合振动发电机，既可单独依靠振动能量使底座内的薄膜压电片产生弯曲变形，进而在薄膜压电片两极产生交流电，又可单独依靠光能使太阳能光伏电池两端输出交流电，或者同时利用振动能量和光能来发电，所述交流电通过电路板上的电能转换与控制电路处理后经电能输出端口输出。

本发明的优点在于：该微型复合振动发电机结构简单、成本低、发电能力强、可以工作在多种环境条件下，扩大了其适用的范围。该微型复合振动发电机既能用来收集外界振动所产生的机械能，又能吸收光能，并将收集的机械能和光能转换成电能替代或者辅助电池为嵌入式传感器、无线传感器网络节点、 野外生态与环境监控网络、农业及危险作业的安全监控网络和飞机、车辆、桥梁及工业设备等设施的无线状态监测系统供电。此外，控制电路的升级和质量块结构的改进，大幅度的提高了该发电机的输出能力。如该微型复合振动发电机大面积推广使用，可以将环境中的闲散能量（振动能量、光能）收集起来用于为各类电子负载供电，实现能量的循环再利用，符合国家目前倡导的低碳环保、节能减排理念，且该发电机结构简单、成本低、响应迅速、发电能力强、适应多种环境条件，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为实施例微型复合振动发电机的剖视图；

图2为实施例微型复合振动发电机的立体图；

图3为图2中底座的结构示意图；

图4为图1中双晶薄膜压电片的结构示意图；

图5为图1中单晶薄膜压电片的结构示意图；

图6为图1中电路板的电能输出控制电路原理图。

图中：1.壳体 2.太阳能光伏电池；

3.底座 301.支撑块 302.支撑块固定孔 303. 底座固定孔；

4.电路板 410.整流电路模块 411.第一整流桥 412.第二整流桥 413.存储电容 420.电压检测模块 421.比较电路 422.第一稳压元件 430.开关控制模块 431.CMOS开关 432.电能缓冲电路 440.电压输出模块 441.第二稳压元件 442.滤波电容；

5.薄膜压电片 510.第一压电材料511.第二压电材料 512. 弹性金属基板 513.通孔；

6.U型质量块 7.导线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图1-5，一种微型复合振动发电机，包括底座3，设置在底座3上的壳体1，以及设置在壳体1内的薄膜压电片5，还包括设置在壳体1上表面的太阳能光伏电池2，设置在底座3上壳体1内的电路板4，以及与薄膜压电片5连接的U型质量块6，薄膜压电片5与太阳能光伏电池2分别通过导线4与电路板4连接，太阳能光伏电池2起到将光能转化成电能的作用。

底座3上设有支撑块301，其上设有固定孔302；所述薄膜压电片5由弹性金属基板512与第一压电材料510和第二压电材料511粘结而成，其形状为矩形，弹性金属基板512的两端分别设有通孔513，弹性金属基板512的一端用螺钉穿过通孔512和固定孔302固定在底座3的支撑块301上，另一端与U型质量块6连接，薄膜压电片5呈悬臂支撑状态；所述压电材料和弹性金属基板5的厚度均在0.2～5mm之间。

U型质量块6固定在薄膜压电片5悬臂梁自由端的金属基板512上，起到调节压电片5悬臂梁谐振频率的作用，质量块为U型，目的是为使其质心位置延压电片5悬臂梁长度方向向压电片5悬臂梁固定端转移，从而降低压电片5悬臂梁的各阶固有频率，改善压电片5悬臂梁固定端的应力状况，一般金属基板512采用密度较大的金属材料，如铜、合金等。

壳体1既用来固定太阳能光伏电池2，又可封装和保护其他元件，壳体1与底座3固定连接；底座3是用来固定薄膜压电片5和电路板4，底座3通过其固定孔303与振动源体固定连接。

壳体1和底座3可以采用铝、铁等金属外壳，也可采用聚乙烯、BMC、聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS 或有机玻璃等聚合材料。

参照图4-5，薄膜压电片5为单晶或双晶结构，本实施例为双晶结构，如图4所示。薄膜压电片5是微型复合振动发电机的核心元件之一，它起到将机械能转化成电能的作用

参照图6，电路板4包括整流电路模块410、电压检测模块420、开关控制模块430和电压输出模块440，各模块之间用导线7连接；电路板4主要作用是处理薄膜压电片5和太阳能光伏电池2产生的电能，提高微型复合振动发电机的带负载能力。

整流电路410模块由分别与压电振子相连的第一整流桥411、第二整流桥412构成的两组全波整流电路，以及存储电容413组成，其作用是将各个压电振子输出的交流电转化成直流电并存储在电容内。

电压检测模块420由比较电路421和第一稳压元件422组成，当存储电容413的电压低于比较电路421所设定电压参考值时，比较电路421输出为0，压电振子产生的电能继续在存储电容413上累积；当存储电容413的电压达到比较电路421所设定电压参考值时，比较电路421输出稳定的电压。

开关控制模块430由CMOS开关431和电能缓冲电路432组成；，其作用是控制存储电容413与电压输出模块440连接的通断，其电能由421提供。

电压输出模块440由第二稳压元件441和滤波电容442组成，当比较电路421输出稳定电压驱动CMOS开关431工作时，电压输出模块进而输出一个脉冲电压。

所述电路板4的作用是处理薄膜压电片和太阳能光伏电池产生的电能，并通过电能输出端口将电能转换与控制电路积累的电能通过导线输出至负载。薄膜压电片5通过导线与电路板4上的电能转换与控制电路相连。

本发明是基于压电材料的正压电效应和光电转换原理设计构造的，以上实施例旨在说明本发明的设计思路及实施方案，并非对本发明的限定，只要是涉及单、双晶薄膜型压电片变形发电和光能发电相结合应用于微型发电装置的其它实施例均落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种微型复合振动发电机，包括底座，设置在底座上的壳体，以及设置在壳体内的薄膜压电片，其特征在于：还包括设置在壳体上表面的太阳能光伏电池，设置在底座上壳体内的电路板，以及与薄膜压电片连接的U型质量块，薄膜压电片与太阳能光伏电池分别通过导线与电路板连接。

2.根据权利要求1所述的微型复合振动发电机，其特征在于：所述底座上设有支撑块，其上设有固定孔；所述薄膜压电片由弹性金属基板与压电材料粘结而成，其形状为矩形，弹性金属基板的两端分别设有通孔，弹性金属基板的一端与设在底座上的支撑块固定连接，另一端与U型质量块连接，薄膜压电片呈悬臂支撑状态。

3.根据权利要求1所述的微型复合振动发电机，其特征在于：所述压电材料和弹性金属基板的厚度均在0.2～5mm之间。

4.根据权利要求2所述的微型复合振动发电机，其特征在于：所述薄膜压电片为单晶或双晶结构。

5.根据权利要求1所述的微型复合振动发电机，其特征在于：所述电路板包括整流电路模块、电压检测模块、开关控制模块和电压输出模块，各模块之间用导线连接；

所述整流电路模块由分别与压电振子相连的第一整流桥411、第二整流桥构成的两组全波整流电路，以及存储电容组成，是将各个压电振子输出的交流电转化成直流电并存储在电容内；

所述电压检测模块由比较电路和第一稳压元件组成，当存储电容的电压低于比较电路所设定电压参考值时，比较电路输出为0，压电振子产生的电能继续在存储电容上累积；当存储电容的电压达到比较电路所设定电压参考值时，比较电路输出稳定的电压；

所述开关控制模块由CMOS开关和电能缓冲电路组成，其是控制存储电容与电压输出模块连接的通断，其电能由比较电路提供；

所述电压输出模块由第二稳压元件和滤波电容组成，当比较电路输出稳定电压驱动CMOS开关工作时，电压输出模块进而输出一个脉冲电压。