CN110289786A - 多模复合式上变频振动式环境能量采集器 - Google Patents
多模复合式上变频振动式环境能量采集器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110289786A CN110289786A CN201910571220.2A CN201910571220A CN110289786A CN 110289786 A CN110289786 A CN 110289786A CN 201910571220 A CN201910571220 A CN 201910571220A CN 110289786 A CN110289786 A CN 110289786A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- energy
- prisoner
- unit
- electrostatic
- piezoelectric
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 18
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 title claims abstract description 17
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 title claims abstract description 16
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 3
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 3
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 claims description 3
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 abstract description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
- H02N2/186—Vibration harvesters
Abstract
本发明属于微能源和振动发电技术领域，公开了多模复合式上变频振动式环境能量采集器，包括壳体、电磁俘能单元、压电俘能单元和静电俘能单元，所述壳体上连接有低频振动梁和高频梁，所述低频振动梁位于所述高频梁上方；所述低频振动梁连接所述电磁俘能单元，所述压电俘能单元和所述静电俘能单元共用所述高频梁，所述静电俘能单元位于所述壳体的最底层，所述压电俘能单元位于所述电磁俘能单元和所述静电俘能单元之间。本发明将静电、压电、电磁三种不同俘能单元的俘能结构进行科学合理的布局，可有效拓宽俘能带宽，提高俘能结构的能量输出水平，并增强俘能器的环境适应能力。
Description
技术领域
本发明属于微能源和振动发电技术领域，尤其涉及多模复合式上变频振动式环境能量采集器。
背景技术
随着MEMS、CMOS传感器的飞速发展和数据处理能力的快速提升，人们进入了万物互联的时代。无线传感器网络将在国防军事、智慧城市、智能制造、自动驾驶、环境保护等领域得到广泛的应用。无线传感网络中使用了大量的低功耗传感器，它们对能量要求较低，几十甚至几微瓦即可使其正常工作。对于那些无人值守或密闭环境中的无线传感器网络，实现传感器的长时独立自主供电是将来要面对的问题。目前传感器供电还是依靠传统的化学电池，化学电池体积大、寿命有限、不能长期储存，需要定期更换造成了大量人力成本的浪费。化学电池也无法与MEMS传感器单片集成，限制了化学电池在MEMS传感器领域的应用。因此，为微机电系统和低功耗电子器件供能的新型供电技术成为亟待解决的关键技术问题。
将自然环境中的能量转化为电能为传感器供电是解决上述问题的有效办法，对促进无线传感器网络的应用和发展有着现实的意义，具有很大的经济效益。同时，也推动着人类探索新的能源获取方式。目前国内外已经研究出多种从环境中获取有限电能的方式，主要有太阳能电池、温差电池、风力发电机等。这些发电方式可以有效的将自然环境中的能量转换为电能为低功耗器件供电，但在实际应用中受到环境的限制也比较多，比如太阳能电池与温差电池对工作环境中的光、温度等有较苛刻的要求，且不能在密闭环境中工作，风力发电机体积较大且对风速也有较高的要求，这些因素在很大程度上限制了它们的应用。环境中的振动无处不在、无时不有，相比于太阳能、热能等能源，振动能的能量密度也相对较大。
近年来，研究能将环境中的振动能转换为电能的振动俘能器已经成为前沿热点，用于将无线传感器等低功耗电子器件的工作环境中的振动机械能转换为电能并有效采集起来为无线传感器或微机电系统等低功耗电子器件供电。目前的振动俘能方式包括有压电俘能、电磁俘能和静电俘能，由于现有技术中多使用单独的俘能方式，易导致同时输出电压和电流不足的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了多模复合式上变频振动式环境能量采集器，将静电、压电、电磁三种不同俘能单元的俘能结构进行科学合理的布局，可有效拓宽俘能带宽，提高俘能结构的能量输出水平，并增强俘能器的环境适应能力。
本发明的基础方案：多模复合式上变频振动式环境能量采集器，包括壳体、电磁俘能单元、压电俘能单元和静电俘能单元，所述壳体上连接有低频振动梁和高频梁，所述低频振动梁位于所述高频梁上方；所述低频振动梁连接所述电磁俘能单元，所述压电俘能单元和所述静电俘能单元共用所述高频梁，所述静电俘能单元位于所述壳体的最底层，所述压电俘能单元位于所述电磁俘能单元和所述静电俘能单元之间。
进一步，所述电磁俘能单元包括磁性质量块和线圈，所述磁性质量块连接在所述低频振动梁的自由端，所述线圈设置在所述壳体的内壁上。
进一步，所述磁性质量块选用矩形磁铁。
进一步，所述线圈采用多层平面结构。
进一步，所述静电俘能单元包括下电极、驻极体薄膜和上电极，所述下电极固定在所述壳体的底面，所述驻极体薄膜设置在所述下电极的表面，所述上电极设置在所述高频梁的下表面。
进一步，所述上电极与所述压电俘能单元间设有绝缘薄膜。
进一步，所述驻极体薄膜通过双面导电胶粘贴在所述下电极的表面。
进一步，所述压电俘能单元包括压电片，所述压电片设置在所述高频梁的上表面。
与现有技术相比，本发明的有益效果：1、为了能有效地将环境振动能量转换为电能，将多种能量转换方式复合起来同时完成环境振动能量的采集可最大程度的完成环境振动能量转换。采用压电-电磁-静电复合式的能量采集器可有效扩展带宽，降低俘能频率，提高俘能效率，实现能量的高效多模转换。因为环境的振动多为低频振动且频率变化范围较宽，有效降低俘能结构的振动频率并增大俘能结构的带宽。
2、本发明构成上变频结构，可有效利用环境低频振动能量，增强了俘能结构的环境适应能力。
3、低频振动梁由于磁铁和线圈间电磁感应的相互作用实现了非线性振动，可有效拓宽低频俘能带宽。
4、本发明利用磁铁作为低频振动梁的磁性质量块，在振动中碰撞高频梁使高频梁产生高频振动，实现了压电材料高频振动条件下的高效能量转换。
5、本发明提供的这种压电-电磁-静电复合式能量采集器可有效弥补单独俘能方式的不足，做到较高电压和较高电流的同时输出，更有利于为充电电池或超级电容充电。
6、在有限空间内采用压电片与驻极体共同俘能，同时利用磁铁与线圈之间的电磁感应俘能，实现了在有限空间内的多种俘能模式，可有效提高俘能效率。
附图说明
图1是本发明多模复合式上变频振动式环境能量采集器实施例提供的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述：
说明书附图中的附图标记包括：壳体1、低频振动梁2、高频梁3、固定螺栓4、电磁俘能单元5、磁性质量块6、线圈7、压电俘能单元8、压电片9、静电俘能单元10、驻极体薄膜11。
实施例基于如附图1所示：多模复合式上变频振动式环境能量采集器，包括壳体1、电磁俘能单元5、压电俘能单元8和静电俘能单元10，壳体1的左侧通过固定螺栓4连接有低频振动梁2和高频梁3，低频振动梁2位于高频梁3上方。
低频振动梁2连接电磁俘能单元5，电磁俘能单元5包括磁性质量块6和设置在磁性质量块6的线圈7，磁性质量块6选用一矩形磁铁6，矩形磁铁6连接在低频振动梁2的自由端。线圈7采用多层平面结构，多层平面结构的线圈7设置在壳体1的内壁上。利用矩形磁铁6作为低频振动梁2的磁性质量块6，在低频振动中碰撞高频梁3使高频梁3产生高频振动。矩形磁铁6在降低低频振动梁2固有频率的同时还可以为电磁振动俘能单元提供变化的磁场。
压电俘能单元8和静电俘能单元10共用高频梁3，静电俘能单元10位于壳体1的最底层，压电俘能单元8位于电磁俘能单元5和静电俘能单元10之间。
具体地，压电俘能单元8包括压电片9，压电片9选用压电陶瓷材料，压电片9粘贴高频梁3的上表面。静电俘能单元10包括下电极、驻极体薄膜11和上电极，下电极固定在壳体1的底面，驻极体薄膜11通过双面导电胶粘贴在下电极的表面，上电极粘贴于高频梁3的下表面。为了避免压电俘能单元8与静电俘能单元10的输出电压之间出现相互干扰，静电俘能单元10的上电极与压电俘能单元8间通过绝缘薄膜进行隔离。
本发明用于将无线传感器等低功耗电子器件的工作环境中的振动机械能转换为电能并有效采集起来为无线传感器或微机电系统等低功耗电子器件供电。根据静电、压电、电磁三种不同俘能单元的俘能机理，以上变频结构为基础，在不增加单一驻极体静电俘能单元10体积的情况，将三种不同俘能结构进行科学合理的布局，来提高能量采集器的整体俘能效率。本方案构成上变频结构，把用于能量转换的振动梁的频率提高，本方案带有压电片的高频梁3固有频率较高，但是环境频率较低，利用低频振动梁2敲击高频梁3，高频梁3产生频率较高的自由振动，从而升高了频率，使得压电俘能单元8获得较高的能量输出。
静电俘能单元10和压电俘能单元8的输出具有大电压、小电流的特点，电磁俘能单元5的输出具有小电压、大电流的特点。基于振动结构的能量采集器，不管是静电俘能器、压电俘能器还是电磁俘能器都依赖于振动单元，因此在同一个振动单元的基础上将静电俘能单元10、压电俘能单元8与电磁俘能单元5复合在一起，在不增加体积的情况下既可以获得大电压同时也可以获得大电流，各俘能单元在优势互补的同时还提高了能量采集器的整体俘能效率。在线性振动结构的基础上引入上变频结构不仅能够降低多模复合式上变频振动能量采集器的环境敏感频率，还能拓宽多模复合式上变频振动能量采集器的俘能频带。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.多模复合式上变频振动式环境能量采集器，其特征在于，包括壳体(1)、电磁俘能单元(5)、压电俘能单元(8)和静电俘能单元(10)，所述壳体(1)上连接有低频振动梁(2)和高频梁(3)，所述低频振动梁(2)位于所述高频梁(3)上方；所述低频振动梁(2)连接所述电磁俘能单元(5)，所述压电俘能单元(8)和所述静电俘能单元(10)共用所述高频梁(3)，所述静电俘能单元(10)位于所述壳体(1)的最底层，所述压电俘能单元(8)位于所述电磁俘能单元(5)和所述静电俘能单元(10)之间。
2.根据权利要求1所述的多模复合式上变频振动式环境能量采集器，其特征在于，所述电磁俘能单元(5)包括磁性质量块(6)和线圈(7)，所述磁性质量块(6)连接在所述低频振动梁(2)的自由端，所述线圈(7)设置在所述壳体(1)的内壁上。
3.根据权利要求2所述的多模复合式上变频振动式环境能量采集器，其特征在于，所述磁性质量块(6)选用矩形磁铁。
4.根据权利要求3所述的多模复合式上变频振动式环境能量采集器，其特征在于，所述线圈(7)采用多层平面结构。
5.根据权利要求1-4任一项所述的多模复合式上变频振动式环境能量采集器，其特征在于，所述静电俘能单元(10)包括下电极、驻极体薄膜(11)和上电极，所述下电极固定在所述壳体(1)的底面，所述驻极体薄膜(11)设置在所述下电极的表面，所述上电极设置在所述高频梁(3)的下表面。
6.根据权利要求5所述的多模复合式上变频振动式环境能量采集器，其特征在于，所述上电极与所述压电俘能单元(8)间设有绝缘薄膜。
7.根据权利要求5所述的多模复合式上变频振动式环境能量采集器，其特征在于，所述驻极体薄膜(11)通过双面导电胶粘贴在所述下电极的表面。
8.根据权利要求1-4任一项所述的多模复合式上变频振动式环境能量采集器，其特征在于，所述压电俘能单元(8)包括压电片(9)，所述压电片(9)设置在所述高频梁(3)的上表面。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910571220.2A CN110289786A (zh) | 2019-06-28 | 2019-06-28 | 多模复合式上变频振动式环境能量采集器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910571220.2A CN110289786A (zh) | 2019-06-28 | 2019-06-28 | 多模复合式上变频振动式环境能量采集器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110289786A true CN110289786A (zh) | 2019-09-27 |
Family
ID=68019424
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910571220.2A Pending CN110289786A (zh) | 2019-06-28 | 2019-06-28 | 多模复合式上变频振动式环境能量采集器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110289786A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110912371A (zh) * | 2019-11-15 | 2020-03-24 | 北京机械设备研究所 | 一种多机理复合式宽频带振动俘能器 |
| CN113315408A (zh) * | 2021-05-21 | 2021-08-27 | 北京临近空间飞行器系统工程研究所 | 面向限域空间的高度集成复合式振动能量转化模块 |
| CN113390540A (zh) * | 2021-05-28 | 2021-09-14 | 北京理工大学 | 一种自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统及检测方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103683795A (zh) * | 2012-08-29 | 2014-03-26 | 北京嘉岳同乐极电子有限公司 | 震动发电装置及其制造方法 |
| CN109818522A (zh) * | 2019-03-25 | 2019-05-28 | 北京理工大学 | 静电-压电-电磁复合式俘能器 |
| CN109889096A (zh) * | 2019-03-25 | 2019-06-14 | 北京理工大学 | 光伏-压电-电磁复合式俘能器 |
-
2019
- 2019-06-28 CN CN201910571220.2A patent/CN110289786A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103683795A (zh) * | 2012-08-29 | 2014-03-26 | 北京嘉岳同乐极电子有限公司 | 震动发电装置及其制造方法 |
| CN109818522A (zh) * | 2019-03-25 | 2019-05-28 | 北京理工大学 | 静电-压电-电磁复合式俘能器 |
| CN109889096A (zh) * | 2019-03-25 | 2019-06-14 | 北京理工大学 | 光伏-压电-电磁复合式俘能器 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110912371A (zh) * | 2019-11-15 | 2020-03-24 | 北京机械设备研究所 | 一种多机理复合式宽频带振动俘能器 |
| CN113315408A (zh) * | 2021-05-21 | 2021-08-27 | 北京临近空间飞行器系统工程研究所 | 面向限域空间的高度集成复合式振动能量转化模块 |
| CN113390540A (zh) * | 2021-05-28 | 2021-09-14 | 北京理工大学 | 一种自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统及检测方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Singh et al. | Energy harvesting in wireless sensor networks: A taxonomic survey | |
| Akhtar et al. | Energy replenishment using renewable and traditional energy resources for sustainable wireless sensor networks: A review | |
| Panatik et al. | Energy harvesting in wireless sensor networks: A survey | |
| Yildiz | Potential Ambient Energy-Harvesting Sources and Techniques. | |
| Zhou et al. | Harvesting ambient environmental energy for wireless sensor networks: A survey | |
| Sojan et al. | A Comprehensive Review of energy harvesting techniques and its potential applications | |
| Alvarado et al. | Energy harvesting technologies for low‐power electronics | |
| CN110289786A (zh) | 多模复合式上变频振动式环境能量采集器 | |
| Bai et al. | Hybrid, multi-source, and integrated energy harvesters | |
| Choudhary et al. | A survey–Energy harvesting sources and techniques for internet of things devices | |
| CN103259323B (zh) | 基于太阳能-风能互补的wsn节点自供电系统 | |
| CN101783615A (zh) | 基于海浪能捕获的海上仪器仪表供电装置 | |
| CN103346696A (zh) | 阵列式复合能量采集器 | |
| CN111156128A (zh) | 一种全向压电电磁复合式波浪能采集装置 | |
| Xue et al. | A static-dynamic energy harvester for a self-powered ocean environment monitoring application | |
| CN202906786U (zh) | 一种压电振动发电系统 | |
| CN109787535A (zh) | 一种能量收集设备 | |
| CN202094689U (zh) | 一种电池充电装置 | |
| Radkowski et al. | Vibration energy harvesting in the transportation system: a review | |
| CN111371278A (zh) | 一种电磁-压电复合式换能器 | |
| Na et al. | A review on vibration energy harvesting | |
| LIANG et al. | Kinetic Energy Harvesting Toward Battery-Free IoT: Fundamentals, Co-Design Necessity and Prospects | |
| Dhananjaya et al. | A survey of energy harvesting sources for IoT device | |
| Rebel et al. | Energy harvesting on human bodies | |
| Muzafar | Energy harvesting models and techniques for green IoT: A review |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190927 |