CN109842351A - 一种复合能量采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种复合能量采集装置，包括矩形的箱体，在箱体顶部设有透光口，透光口安装有菲涅尔透镜，在箱体四周的其中一侧面上设有通风口，在通风口内设有呈横向设置的绕流体，绕流体把通风口分隔成呈上下设置上风口和下风口，在箱体的内部设有呈竖向设置的支撑柱，支撑柱上端连接有悬臂，悬臂与绕流体设置在同一水平面上，悬臂包括自上而下依次叠层设置的透明上电极层、铁电薄膜层、下电极层、衬底层，衬底层包括与支撑柱连接的固定端、悬空设置的自由端，在自由端安装有重量块，铁电薄膜层同时具有的铁电光伏效应、热释电效应和压电效应，使太阳能、热能和风能同时转换为电能，实现对不同形式能量的同时采集。本发明用于能量的采集。
Description
技术领域
本发明涉及能量采集的技术领域，特别涉及一种复合能量采集装置。
背景技术
无线传感网络被广泛用于环境监测、智慧农业、交通管理以及军事侦察等领域，在物联网时代具有广阔的应用前景，然而，无线传感器节点的寿命受能量所限，其供能问题已经成为无线传感网络技术发展的瓶颈问题之一，环境中存在着丰富的太阳能、热能、振动能和风能等可再生绿色能源，日益得到研究人员的关注，但是由于昼夜、工作条件的限制，这些能源并不是一直都可用，因此单一形式的能量采集易受到外界环境影响，其供能不稳定、不连续，且能量密度较低，为了得到稳定持续的高效能源，多种形式能量的复合采集技术逐渐引起重视，但目前的复合能量采集技术主要通过不同形式的能量转换模块实现不同形式能量的复合采集，存在换能结构复杂，不易微小型化等问题。
铁电薄膜具有优良的铁电、压电和热释电性能，集力、热、光、电等性能于一体，且易与微机电系统集成，具有其他材料不可比拟的优势。基于铁电薄膜的光热电力多场耦合机理，可实现单一材料/结构对不同形式能量的采集，同时对太阳能、热能、振动能等不同能量进行复合采集，从而提高复合能量采集器的转换效率和供能稳定性，有助于解决无线传感网络节点的供能瓶颈，在微能源采集及自供能领域具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种复合能量采集装置，可利用单一结构/材料使太阳能、热能和风能同时转换为电能，实现对不同形式能量的同时采集，使能量转换结构简单紧凑，解决了微能源采集供能不连续、不稳定的难题，并有效提高了能量转换密度。
本发明解决其技术问题的解决方案是：
一种复合能量采集装置，包括矩形的箱体，在所述箱体顶部设有透光口，所述透光口安装有菲涅尔透镜，在所述箱体四周的其中一侧面上设有通风口，在所述通风口内设有呈横向设置的绕流体，所述绕流体把通风口分隔成呈上下设置上风口和下风口，在所述箱体的内部设有呈竖向设置的支撑柱，所述支撑柱的下端与箱体底面的中心连接，所述支撑柱上端连接有悬臂，所述悬臂与绕流体设置在同一水平面上，所述悬臂包括自上而下依次叠层设置的透明上电极层、铁电薄膜层、下电极层、衬底层，所述衬底层包括与支撑柱连接的固定端、悬空设置的自由端，在所述自由端安装有重量块。
进一步的，所述衬底层采用硅基材料制成。硅基材料的衬底层主要作为支撑结构，具有一定的承载能力。
作为上述方案的进一步改进，所述绕流体呈圆柱状设置，所述绕流体的两端分别与通风口的两侧固定连接。气流经过圆柱状的绕流体更容易产生涡流，并且对风阻力小。
作为上述方案的进一步改进，所述铁电薄膜层采用镧改性锆钛酸铅、锆钛酸铅或钙钛矿薄膜其中的一种材料制成。使得铁电薄膜层同时具有良好的铁电光伏效应、热释电效应和压电效应。
作为上述方案的进一步改进，所述透明上电极层为掺锡氧化铟透明电极，所述下电极层为铂电极或铜电极。透明上电极层一来可以导电，二来需要透光，太阳光可透过透明上电极层照射到铁电薄膜层上，铁电薄膜层产生的电能通过下电极层和透明上电极层输出，下电极层也具有良好的导电性。
作为上述方案的进一步改进，在所述箱体四周的侧面上均设有通风口，在四个通风口上均设有绕流体，四个绕流体设置在同一水面上。风可从箱体四周的不同方向流入箱体内，提高风能的利用率。
作为上述方案的进一步改进，在所述箱体四周的四个竖向棱边上均连接有聚风板，四个聚风板绕箱体的中轴线呈放射状设置，相邻的两个聚风板之间的夹角为90度。聚风板对气流起导向的作用，使得气流沿两个聚风板经过绕流体，产生较大涡流，进而使得铁电薄膜层的上下两侧可产生较大的压力差，提高风能的利用率。
作为上述方案的进一步改进，所述衬底层呈螺旋盘状，所述固定端设置在所述螺旋盘状的盘中，所述自由端设置在螺旋盘状的外侧。螺旋盘状的衬底层一来增加光照面积，可提高太阳能收集的能量密度，二来增加悬臂长度，可提高对振动能收集的能量密度，当箱体或者悬臂受到振动时，使得铁电薄膜层更容易弯曲及振动。
进一步地，所述悬臂设有多个，既所述衬底层设有多个，所述衬底层呈扇形状，多个扇形状的衬底层呈环状间隔排列形成圆盘状结构，所述固定端设置在圆盘状的盘中，所述自由端设置在圆盘状的外侧。进一步增加光照面积，并且每个衬底层可对应不同的重量的重量块，获得不同的谐振频率，从而拓宽复合能量采集器的谐振频带。
本发明的有益效果是：太阳光通过菲涅尔透镜聚集后照射在悬臂上的铁电薄膜层，基于铁电薄膜的铁电光伏效应，铁电薄膜层将太阳能转换为电能，太阳光照射和周围环境之间热量交换引起铁电薄膜层的局部温度发生变化，基于铁电薄膜的热释电效应，铁电薄膜层将梯度热能转换为电能，风经过绕流体后产生漩涡，激发涡流，风通过上风口和下风口进入到悬臂上侧和下侧，涡流在悬臂上下侧产生压力差，铁电薄膜层在涡流和压力差作用下发生弯曲及振动，基于铁电薄膜的压电效应，铁电薄膜层将风致振动能转换为电能，铁电薄膜层产生电能通过透明上电极层和下电极层输出，可利用单一结构/材料使太阳能、热能和风能同时转换为电能，实现对不同形式能量的同时采集，使能量转换结构简单紧凑，解决了微能源采集供能不连续、不稳定的难题，并有效提高了能量转换密度。
本发明用于能量的采集。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本发明实施例的衬底层为扇形状时的俯视图；
图2是图1中在A-A截面方向上的剖视图；
图3是本发明实施例的主视图；
图4是本发明实施例的衬底层为扇形状时悬臂剖视图；
图5是本发明实施例的衬底层为螺旋盘状时的俯视图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
参照图1至图5，这是本发明的实施例，具体地：
一种复合能量采集装置，如图2，包括矩形的箱体100，在所述箱体100顶部设有透光口，所述透光口安装有菲涅尔透镜200，菲涅尔透镜200对太阳光起聚集的作用，使得太阳光聚集后往箱体100内部照射，如图3，在所述箱体100四周的其中一侧面上设有通风口，在所述通风口内设有呈横向设置的绕流体300，所述绕流体300把通风口分隔成呈上下设置上风口310和下风口320，外部的气流可通过上风口310和下风口320进入到箱体100内，上风口310和下风口320使得箱体100内部形成流通的风道，如图2，在所述箱体100的内部设有呈竖向设置的支撑柱400，所述支撑柱400的下端与箱体100底面的中心连接，所述支撑柱400上端连接有悬臂500，所述悬臂500与绕流体300设置在同一水平面上，如图4，所述悬臂500包括自上而下依次叠层设置的透明上电极层510、铁电薄膜层520、下电极层530、衬底层540，铁电薄膜层520具有铁电光伏效应、热释电效应和压电效应，所述衬底层540包括与支撑柱400连接的固定端、悬空设置的自由端，在所述自由端安装有重量块550。太阳光通过菲涅尔透镜200聚集后照射在悬臂500上的铁电薄膜层520，基于铁电薄膜的铁电光伏效应，铁电薄膜层520将太阳能转换为电能，太阳光照射和周围环境之间热量交换引起铁电薄膜层520的局部温度发生变化，基于铁电薄膜的热释电效应，铁电薄膜层520将梯度热能转换为电能，风经过绕流体300后产生漩涡，激发涡流，风通过上风口310和下风口320进入到悬臂500上侧和下侧，涡流在悬臂500上下侧产生压力差，铁电薄膜层520在涡流和压力差作用下发生弯曲及振动，基于铁电薄膜的压电效应，铁电薄膜层520将风致振动能转换为电能，铁电薄膜层520产生电能通过透明上电极层510和下电极层530输出，可利用单一结构/材料使太阳能、热能和风能同时转换为电能，实现对不同形式能量的同时采集，使能量转换结构简单紧凑，解决了微能源采集供能不连续、不稳定的难题，并有效提高了能量转换密度。
优选地，所述衬底层540采用硅基材料制成。硅基材料的衬底层540主要作为支撑结构，具有一定的承载能力。
优选地，如图1和图2，所述绕流体300呈圆柱状设置，所述绕流体300的两端分别与通风口的两侧固定连接。气流经过圆柱状的绕流体300更容易产生涡流，并且对风阻力小。
优选地，所述铁电薄膜层520采用镧改性锆钛酸铅、锆钛酸铅或钙钛矿薄膜其中的一种材料制成。使得铁电薄膜层520具有良好的铁电光伏效应、热释电效应和压电效应。
优选地，所述透明上电极层510为掺锡氧化铟透明电极，透明上电极层510具有导电性能也同时具有透光性，所述下电极层530为铂电极或铜电极。透明上电极层510一来可以导电，二来需要透光，太阳光可透过透明上电极层510照射到铁电薄膜层520上，铁电薄膜层520产生的电能通过下电极层530和透明上电极层510输出，下电极层530也具有良好的导电性。
进一步作为优选的实施方式，如图1和图3，在所述箱体100四周的侧面上均设有通风口，在四个通风口上均设有绕流体300，四个绕流体300设置在同一水面上。风可从箱体100四周的不同方向流入箱体100内，提高风能的利用率。
进一步作为优选的实施方式，在所述箱体100四周的四个竖向棱边上均连接有聚风板110，四个聚风板110绕箱体100的中轴线呈放射状设置，相邻的两个聚风板110之间的夹角为90度。聚风板110对气流起导向的作用，使得气流沿两个聚风板110经过绕流体300，产生较大涡流，进而使得铁电薄膜层520的上下两侧可产生较大的压力差，提高风能的利用率，聚风板110采用聚乙烯等高分子材料制成，可保持一定的强度。
进一步作为优选的实施方式，如图5，通过激光切割加工，所述衬底层540呈螺旋盘状，所述固定端设置在所述螺旋盘状的盘中，所述自由端设置在螺旋盘状的外侧。螺旋盘状的衬底层540一来增加光照面积，可提高太阳能收集的能量密度，二来增加悬臂500长度，可提高对振动能收集的能量密度，当箱体100或者悬臂500受到振动时，使得铁电薄膜层520更容易弯曲及振动。
进一步作为优选的实施方式，如图1，通过激光切割加工，所述悬臂500设有多个，既所述衬底层540设有多个，所述衬底层540呈扇形状，多个扇形状的衬底层540呈环状间隔排列形成圆盘状结构，所述固定端设置在圆盘状的盘中，所述自由端设置在圆盘状的外侧。可进一步增加光照面积，并且每个衬底层540可对应不同的重量的重量块550，获得不同的谐振频率，从而拓宽复合能量采集器的谐振频带。
也为了综合考虑太阳能和振动能的能量采集密度，以及复合能量采集器的微小型化需求，提出螺旋盘状以及扇形状阵列的悬臂500，如图1和图5所示，从而可以兼顾较大的光照面积、较大的悬臂500长度和微小型化等要求。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (9)
1.一种复合能量采集装置，其特征在于：包括矩形的箱体，在所述箱体顶部设有透光口，所述透光口安装有菲涅尔透镜，在所述箱体四周的其中一侧面上设有通风口，在所述通风口内设有呈横向设置的绕流体，所述绕流体把通风口分隔成呈上下设置上风口和下风口，在所述箱体的内部设有呈竖向设置的支撑柱，所述支撑柱的下端与箱体底面的中心连接，所述支撑柱上端连接有悬臂，所述悬臂与绕流体设置在同一水平面上，所述悬臂包括自上而下依次叠层设置的透明上电极层、铁电薄膜层、下电极层、衬底层，所述衬底层包括与支撑柱连接的固定端、悬空设置的自由端，在所述自由端安装有重量块。
2.根据权利要求1所述的一种复合能量采集装置，其特征在于：所述衬底层采用硅基材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种复合能量采集装置，其特征在于：所述绕流体呈圆柱状设置，所述绕流体的两端分别与通风口的两侧固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种复合能量采集装置，其特征在于：所述铁电薄膜层采用镧改性锆钛酸铅、锆钛酸铅或钙钛矿薄膜其中的一种材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种复合能量采集装置，其特征在于：所述透明上电极层为掺锡氧化铟透明电极，所述下电极层为铂电极或铜电极。
6.根据权利要求1所述的一种复合能量采集装置，其特征在于：在所述箱体四周的侧面上均设有通风口，在四个通风口上均设有绕流体，四个绕流体设置在同一水面上。
7.根据权利要求6所述的一种复合能量采集装置，其特征在于：在所述箱体四周的四个竖向棱边上均连接有聚风板，四个聚风板绕箱体的中轴线呈放射状设置，相邻的两个聚风板之间的夹角为90度。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的一种复合能量采集装置，其特征在于：所述衬底层呈螺旋盘状，所述固定端设置在所述螺旋盘状的盘中，所述自由端设置在螺旋盘状的外侧。
9.根据权利要求1～7任意一项所述的一种复合能量采集装置，其特征在于：所述悬臂设有多个，既所述衬底层设有多个，所述衬底层呈扇形状，多个扇形状的衬底层呈环状间隔排列形成圆盘状结构，所述固定端设置在圆盘状的盘中，所述自由端设置在圆盘状的外侧。
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