CN111049425A - 以液体作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种以液体作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置，包括腔体以及设置于腔体内部的液体、绝缘支撑杆、阵列式能量转换装置、浮块；液体覆盖在腔体的底部与浮块之间的区域；将阵列式能量转换装置固定在距离腔体底部的一定高度处并与水平面保持平行；浮块的一面与阵列式能量转换装置固定连接，浮块的另一面悬浮在液体表面；当受到外界振动激励时，悬浮在液体中的浮块跟随着液体的晃动而带动与其固定连接的阵列式能量转换装置发生运动从而产生电能，实现低频、多方向的振动能量收集。应用本技术方案可实现高效地俘获环境中的低频、多方向振动能量并转化电能，从而实现外界的振动机械能到电能的转换。
Description
技术领域
本发明涉及能量收集领域，具体是指一种以液体作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置。
背景技术
随着物联网的时代来临以及无线传感器、便携式电子设备的发展，未来将会有数以万亿的无线电子设备应用到工作和生活的各个领域，比如在交通、军事、海洋、建筑物健康监测、智能穿戴、地震等方面都将发挥重要的作用。但是，目前各类无线传感器以及便携式电子设备都是依赖传统的电池供电，而传统的电池存在寿命短、污染大、定期更换等缺点，在很大程度上限制了无线电子设备的发展，针对无线电子设备的供能问题，研究人员提出的振动能量收集技术被认为行之有效的解决方案之一。
振动能量收集技术是通过能量转换机制将外界环境中普遍存在的振动机械能转换为电能进而为无线电子设备供能，由于振动能量收集转装置利用的是环境中无污染、长期且普遍存在振动机械能，而且在整个能量收集以及能量转换的过程中无任何污染物质的产生，因此振动能量收集技术是一种绿色、环保并且可以长期供能的技术。其中，振动能量收集技术中能量转换的方式包括电磁式、压电式以及静电式等方式。目前，国内外研究人员所提出的振动能量收集技术中的俘能模块都是利用悬臂梁加质量块的结构，但是受限于该结构的缺陷，只能实现单方向的振动能量收集。而在实际的应用环境中，振动激励类型大多数是低频、多方向的，而且振动的强度和方向会时刻发生变化，比如人体的运动、轮船的摆动、海浪的波动、风的流动等，因此仅仅依赖传统的悬臂梁加质量块结构的振动能量收集器在这种方向多变的环境中俘能效率和能量转换效率会非常低。为此，研究人员提出了不同的俘能结构来实现低频、多方向的振动能量收集，比如南京航空航天大学的刘祥建提出的蒲公英型和Rainbow型压电振动能收集装置，通过采用在空间阵列式分布压悬臂梁方式来实现多方向的振动能量收集，并且取得了良好的效果，但是该装置在低频的环境下很难发挥作用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种以液体作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置，可实现高效地俘获环境中的低频、多方向振动能量并转化电能，从而实现外界的振动机械能到电能的转换。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种以液体作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置，包括腔体以及设置于腔体内部的液体、绝缘支撑杆、阵列式能量转换装置、浮块；
所述液体覆盖在腔体的底部与浮块之间的区域；所述绝缘支撑杆的一端与腔体底部固定连接，所述绝缘支撑杆的另一端与阵列式能量转换装置的中心位置连接，将阵列式能量转换装置固定在距离腔体底部的一定高度处并与水平面保持平行；所述浮块的一面与阵列式能量转换装置固定连接，所述浮块的另一面悬浮在液体表面；当受到外界低频、多方向的振动激励时，覆盖在腔体内部的液体发生晃动，悬浮在液体中的浮块跟随着所述液体的晃动而带动与其固定连接的阵列式能量转换装置发生运动从而产生电能，实现低频、多方向的振动能量收集。
在一较佳的实施例中，所述阵列式能量转换装置包括沿中心对称设置的多个悬臂梁，所述浮块的数量与所述悬臂梁数量相同，所述浮块与所述悬臂梁一一对应固定，所述浮块悬浮于所述液体表面，所述浮块背向所述液体的一面与所述悬臂梁固定。
在一较佳的实施例中，所述浮块之间不发生接触；当液体受到外界激励发生晃动时，浮块跟随着液体的晃动而带动与其配合的阵列式能量转换装置一起运动，在运动的过程中浮块不与腔体发生接触，从而实现能量从液体的晃动到阵列式能量转换装置运动的传递。
在一较佳的实施例中，一圆形件沿着径向向外延伸的多个悬臂梁，所述悬臂梁绕着圆心呈旋转对称分布。
在一较佳的实施例中，所述腔体的底部设置有第一连接座，所述圆形件面对液体的一面设置有第二连接座；所述绝缘支撑杆的两端设置有螺纹，所述第一连接座与第二连接座设置有内螺纹，所述绝缘支撑杆与所述第一连接座及第二连接座固定连接。
在一较佳的实施例中，所述阵列式能量转换装置防水密封设置。
在一较佳的实施例中，所述阵列式能量转换装置具体为阵列式压电能量转换装置；所述悬臂梁具体为压电悬臂梁，每个所述的压电悬臂梁背向所述浮块的一面上分别粘附有一压电片。
在一较佳的实施例中，所述压电悬臂梁设置有12个。
在一较佳的实施例中，所述阵列式能量转换装置具体为阵列式电磁能量转换装置；所述阵列式电磁能量转换装置包括线圈、悬臂梁以及磁铁；所述悬臂梁的末端背向所述浮块的一面均装有一块磁铁；所述线圈一端固定在腔体的顶部并与所述磁铁的位置一一对应，呈中心对称分布；所述的线圈、磁铁与所述悬臂梁的数量均相同。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
本发明提供了一种以液体作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置，该装置通过腔体、液体、绝缘支撑杆、阵列式能量转换装置、浮块的组合设计可以让整个装置在低频、多方向的振动激励环境下实现高效的俘能以及高效的能量转换。
1.本发明的优势之一是提出以液体作为俘能介质，利用液体任意方向流动性的特点实现高效地俘获环境中普遍存在的低频、多方向振动机械能，并转换为液体自身的晃动，实现外界振动激励到液体晃动的传递。
2.本发明的优势之二是在受到外界激励时，液体只有部分液体晃动，另外一部分液体则会相对静止，并且随着外界激励强度的变大和变小，参与晃动的液体也会随之变多和变少；即使外界激励强度较低时，液体仍可发生晃动，并带动悬浮在其中的浮块运动，具有低势阱启动的优势，可以满足低强度的振动激励环境下的使用。
3.本发明的优势之三是液体具有任意形状的填充性，可以满足不同的腔体结构设计；当该振动能量收集装置所处于的应用环境中要求腔体的外形、结构复杂不规则的时候，液体仍然可以做到填充在腔体的指定区域，可以满足在不同安装空间下的使用。
4.本发明的优势之四是通过一面悬浮在液体中，另一面与阵列式能量转换装置配合的浮块实现液体的晃动到阵列式能量转换装置运动的传递，从而实现振动机械能到电能的转换。
附图说明
图1为本发明优选实施例1中以液体作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置的结构示意图；
图2为本发明优选实施例1中以液体作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置腔体内部的结构示意图；
图3为本发明优选实施例1中以液体作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置的结构剖面示意图；
图4为本发明优选实施例2中以液体作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置的结构示意图；
图5为本发明优选实施例2中以液体作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置腔体内部的结构示意图；
图6为本发明优选实施例2中以液体作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置的结构剖面示意图。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
一种以液体3作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置，参考图1至3，包括腔体1以及设置于腔体1内部的液体3、绝缘支撑杆2、阵列式能量转换装置、浮块4；所述液体3覆盖在腔体1的底部与浮块4之间的区域；所述绝缘支撑杆2的一端与腔体1底部固定连接，所述绝缘支撑杆2的另一端与阵列式能量转换装置的中心位置连接，将阵列式能量转换装置固定在距离腔体1底部的一定高度处并与水平面保持平行；所述浮块4的一面与阵列式能量转换装置通过强力胶固定连接，所述浮块4的另一面悬浮在液体3表面；当受到外界低频、多方向的振动激励时，覆盖在腔体1内部的液体3发生晃动，悬浮在液体3中的浮块4跟随着所述液体3的晃动而带动与其固定连接的阵列式能量转换装置发生运动从而产生电能，实现低频、多方向的振动能量收集。液体3覆盖在腔体1底部与浮块4之间的区域，以液体3作为俘能介质，利用其任意方向流动性、低势阱启动性，可以高效的俘获外界传来的低频、多方向振动激励并转化为液体3自身的晃动。
具体来说，所述阵列式能量转换装置包括沿中心对称设置的多个悬臂梁6，所述浮块4的数量与所述悬臂梁6数量相同，所述浮块4与所述悬臂梁6一一对应固定，所述浮块4悬浮于所述液体3表面，所述浮块4背向所述液体3的一面与所述悬臂梁6固定。具体来说，一圆形件沿着径向向外延伸的多个所述的悬臂梁6，所述悬臂梁6绕着圆心呈旋转对称分布。
所述浮块4之间不发生接触；当液体3受到外界激励发生晃动时，浮块4跟随着液体3的晃动而带动与其配合的阵列式能量转换装置一起运动，在运动的过程中浮块4不与腔体1发生接触，从而实现能量从液体3的晃动到阵列式能量转换装置运动的传递。
具体来说，所述腔体1的底部设置有第一连接座，所述圆形件面对液体3的一面设置有第二连接座；所述绝缘支撑杆2的两端设置有螺纹，所述第一连接座与第二连接座设置有内螺纹，所述绝缘支撑杆2与所述第一连接座及第二连接座固定连接。
此外，为了防止阵列式能量转换装置与液体3接触而导致短路现象的发生，所述阵列式能量转换装置防水密封设置。
所述阵列式能量转换装置具体为阵列式压电能量转换装置；所述悬臂梁6具体为压电悬臂梁，每个所述的压电悬臂梁背向所述浮块4的一面上分别粘附有一压电片5。在本实施例中，所述压电悬臂梁设置有12个，所述悬臂梁6数量可以根据具体的腔体1结构以及所需要的俘能角度范围进行调整。
当腔体1受到外界低频、多方向的振动激励时，液体3会在外界激励的作用下产生晃动，从而带动悬浮在其表面的12个浮块4上下运动，其中与振动激励方向平行布置的浮块4运动最明显，与振动激励方向垂直的布置的浮块4运动最微弱；12个浮块4的上下运动又会带动与其相应配合在一起的12根压电悬臂梁6上下摆动，迫使每根压电悬臂梁6发生形变，从而产生电能，实现低频、多方向的振动机械能到电能的转化。
实施例2
参考图4至6，本实施例与实施例1的区别在于，所述阵列式能量转换装置具体为阵列式电磁能量转换装置；所述阵列式电磁能量转换装置包括线圈53、悬臂梁51以及磁铁52；所述悬臂梁6的末端背向所述浮块4的一面均装有一块磁铁52；所述线圈53一端固定在腔体1的顶部并与所述磁铁52的位置一一对应，呈中心对称分布；所述的线圈53、磁铁52与所述悬臂梁51的数量均相同。
在本实施例中，所述悬臂梁6设置有10个。
本发明提供了一种以液体3作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置，该装置通过腔体1、液体3、绝缘支撑杆2、阵列式能量转换装置、浮块4的组合设计可以让整个装置在低频、多方向的振动激励环境下实现高效的俘能以及高效的能量转换。以液体3作为俘能介质，利用液体3任意方向流动性的特点实现高效地俘获环境中普遍存在的低频、多方向振动机械能，并转换为液体3自身的晃动，实现外界振动激励到液体3晃动的传递。在受到外界激励时，液体3只有部分液体3晃动，另外一部分液体3则会相对静止，并且随着外界激励强度的变大和变小，参与晃动的液体3也会随之变多和变少；即使外界激励强度较低时，液体3仍可发生晃动，并带动悬浮在其中的浮块4运动，具有低势阱启动的优势，可以满足低强度的振动激励环境下的使用。液体3具有任意形状的填充性，可以满足不同的腔体1结构设计；当该振动能量收集装置所处于的应用环境中要求腔体1的外形、结构复杂不规则的时候，液体3仍然可以做到填充在腔体1的指定区域，可以满足在不同安装空间下的使用。通过一面悬浮在液体3中，另一面与阵列式能量转换装置配合的浮块4实现液体3的晃动到阵列式能量转换装置运动的传递，从而实现振动机械能到电能的转换。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (10)
1.一种以液体作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置，其特征在于包括腔体以及设置于腔体内部的液体、绝缘支撑杆、阵列式能量转换装置、浮块；
所述液体覆盖在腔体的底部与浮块之间的区域；所述绝缘支撑杆的一端与腔体底部固定连接，所述绝缘支撑杆的另一端与阵列式能量转换装置的中心位置连接，将阵列式能量转换装置固定在距离腔体底部的一定高度处并与水平面保持平行；所述浮块的一面与阵列式能量转换装置固定连接，所述浮块的另一面悬浮在液体表面；当受到外界低频、多方向的振动激励时，覆盖在腔体内部的液体发生晃动，悬浮在液体中的浮块跟随着所述液体的晃动而带动与其固定连接的阵列式能量转换装置发生运动从而产生电能，实现低频、多方向的振动能量收集。
2.根据权利要求1所述的以液体作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置，其特征在于，所述阵列式能量转换装置包括沿中心对称设置的多个悬臂梁，所述浮块的数量与所述悬臂梁数量相同，所述浮块与所述悬臂梁一一对应固定，所述浮块悬浮于所述液体表面，所述浮块背向所述液体的一面与所述悬臂梁固定。
3.根据权利要求2所述的以液体作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置，其特征在于，所述浮块之间不发生接触；当液体受到外界激励发生晃动时，浮块跟随着液体的晃动而带动与其配合的阵列式能量转换装置一起运动，在运动的过程中浮块不与腔体发生接触，从而实现能量从液体的晃动到阵列式能量转换装置运动的传递。
4.根据权利要求3所述的以液体作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置，其特征在于，一圆形件沿着径向向外延伸的多个悬臂梁，所述悬臂梁绕着圆心呈旋转对称分布。
5.根据权利要求4所述的以液体作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置，其特征在于，所述腔体的底部设置有第一连接座，所述圆形件面对液体的一面设置有第二连接座；所述绝缘支撑杆的两端设置有螺纹，所述第一连接座与第二连接座设置有内螺纹，所述绝缘支撑杆与所述第一连接座及第二连接座固定连接。
6.根据权利要求5所述的以液体作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置，其特征在于，所述阵列式能量转换装置防水密封设置。
7.根据权利要求6所述的以液体作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置，其特征在于，所述阵列式能量转换装置具体为阵列式压电能量转换装置；所述悬臂梁具体为压电悬臂梁，每个所述的压电悬臂梁背向所述浮块的一面上分别粘附有一压电片。
8.根据权利要求7所述的以液体作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置，其特征在于，所述压电悬臂梁设置有12个。
9.根据权利要求6所述的以液体作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置，其特征在于，所述阵列式能量转换装置具体为阵列式电磁能量转换装置；所述阵列式电磁能量转换装置包括线圈、悬臂梁以及磁铁；所述悬臂梁的末端背向所述浮块的一面均装有一块磁铁；所述线圈一端固定在腔体的顶部并与所述磁铁的位置一一对应，呈中心对称分布；所述的线圈、磁铁与所述悬臂梁的数量均相同。
10.根据权利要求9所述的以液体作为俘能介质的新型低频多方向振动能量收集装置，其特征在于，所述悬臂梁设置有10个。
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