CN111181473B - 一种双面夹心式光电压电复合柔性俘能器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双面夹心式光电压电复合柔性俘能器及其应用，该俘能器包括:固定底座,固定底座上固定有圆柱扰流钝体,圆柱扰流钝体的上端固定有一阶双面夹心柔性俘能层,一阶双面夹心柔性俘能层通过柔性旋转铰链与二阶双面夹心柔性俘能层铰接,一阶双面夹心柔性俘能层和二阶双面夹心柔性俘能层均由若干个光电压电复合单元按照阵列组成。本发明充分利用了光电与压电各自能量转换的优势，光电与压电复合俘能模式能够同时保证接收室外的光能与风能，扩大了能量捕获的来源；同时采用双阶柔性俘能层连接可以降低俘能器整体的共振频率，提高响应带宽，进而增加压电俘能层整体对风能的转化效率。
Description
技术领域
本发明主要涉及低风速俘能器领域，具体涉及一种双面夹心式光电压电复合柔性俘能器及其应用。
背景技术
随着物联网技术的不断发展以及大规模无线传感网络的广泛应用，利用自然界中的风能、光能以及机械振动等可再生能量实现无线传感节点的自供电成为今后发展的必然趋势。
目前，能够实现无线传感自供电的柔性俘能器主要包括：光电式与压电式等多种方式。其中：光电式主要利用太阳光或者室内光能进行光电转换，其具有输出功率大，价格低廉等优势，然而，长期服役过程中往往会受到天气状况、安装位置、光线角度以及光照强弱等诸多因素的影响；压电式是将自然环境中的风能引起柔性俘能器的偏摆或振动，通过压电效应转化为电能。然而，由于自然界中风荷载与风向的变化较大，且不够稳定，导致俘能器的平均输出功率偏小且波动大，无法完全满足无线传感器的使用需求。
发明内容
本发明公开一种光电压电复合柔性俘能器，克服上述单一光电与压电柔性俘能器的技术缺点，充分利用了光电与压电各自能量转换的优势，能够同时捕获自然界中的风能与太阳能，同时采用双面夹心式结构扩大了俘能器的光电接收范围与接收面积。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案：
一种双面夹心式光电压电复合柔性俘能器,该俘能器包括:固定底座,所述固定底座上固定有圆柱扰流钝体,所述圆柱扰流钝体的上端固定有一阶双面夹心柔性俘能层,所述一阶双面夹心柔性俘能层通过柔性旋转铰链与二阶双面夹心柔性俘能层铰接,所述一阶双面夹心柔性俘能层和所述二阶双面夹心柔性俘能层均由若干个光电压电复合单元按照阵列组成；所述一阶双面夹心柔性俘能层和所述二阶双面夹心柔性俘能层的形状均为矩形，且所述一阶双面夹心柔性俘能层的长边与所述二阶双面夹心柔性俘能层的长边比为2：3，所述一阶双面夹心柔性俘能层的宽边与所述二阶双面夹心柔性俘能层的宽边比为2：3，所述一阶双面夹心柔性俘能层的一侧宽边与所述二阶双面夹心柔性俘能层的宽边通过柔性旋转铰链铰接,所述一阶双面夹心柔性俘能层的另一侧宽边固定于所述圆柱扰流钝体上。
优选的，所述一阶双面夹心柔性俘能层和所述二阶双面夹心柔性俘能层均由若干个光电压电复合单元按照平行矩形阵列组成。
优选的，所述光电压电复合单元包括上光电层、下光电层、上隔离层、下隔离层、压电层、上封装层和下封装层，所述压电层的两侧依次粘结所述上隔离层和所述下隔离层、所述上光电层和所述下光电层、所述上封装层和所述下封装层；且所述上光电层、所述下光电层、所述上隔离层、所述下隔离层、所述压电层、所述上封装层和所述下封装层均为形状相同的矩形。
优选的，相邻的三个所述光电压电复合单元构成一个组，每个组内的所述上光电层、所述下光电层产生的光电，所述压电层产生的压电，每个组内的光电输出与压电输出通过并联方式连接；所有组内的光电输出与压电输出通过串联方式连接。
优选的，所述上封装层、所述下封装层均采用薄质柔性高透光低反射的高分子薄膜材料，所述上光电层、所述下光电层均采用染料分子为敏感材料的柔性染料敏化太阳能感光材料；所述上隔离层、所述下隔离层均由高强度粘性硅胶涂覆而成；所述压电层采用柔性高分子压电薄膜材料。
优选的，每个组的上光电层和下光电层组成光电功能元；每个组的压电层组成压电功能元。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种俘能器电能输出装置，包括上述俘能器、整流模块、电容储能模块、电压检测模块、稳压模块和能量管理模块，所述压电功能元压电输出通过整流模块将交流输出转换为直流输出至电容储能模块，同时所有所述光电功能元的光电也输出至电容储能模块，所述电容储能模块用于将电能存储，所述电容储能模块存储的电能依次经过电压检测模块、能量管理模块、稳压模块传输至无线传感节点，给无线传感节点供电。
本发明的目的之三采用如下技术方案实现：
一种无线传感节点供电单元，包括若干上述俘能器电能输出装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.采用双面式光电结构大大扩大了俘能器光电层的整体受光角度与受光面积，采用铰接方式，增加了自由度从而提高俘能器输出功率；
2.充分利用了光电与压电各自能量转换的优势，光电与压电复合俘能模式能够同时保证接收室外的光能与风能，扩大了能量捕获的来源；
3.采用双阶柔性俘能层连接可以降低俘能器整体的共振频率，提高响应带宽，进而增加压电俘能层整体对风能的转化效率；
4.本发明还公开一种俘能器电能输出装置，包括俘能器、整流模块、电容储能模块、电压检测模块、稳压模块和能量管理模块，节约能源的同时，保证了电能的稳定输出。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明俘能器结构示意图；
图2为光电压电复合单元的结构剖面图；
图3是一种俘能器电能输出装置的电路连接图；
图4为实施例2中风荷载响应下输出电压、功率及振动夹角与风向夹角关系图；
图5为实施例3中光照响应的功率、电流、电压与光照强度关系。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例1
如图1-2所示，一种双面夹心式光电压电复合柔性俘能器,该俘能器包括:固定底座1,所述固定底座1上固定有圆柱扰流钝体2,所述圆柱扰流钝体2的上端固定有一阶双面夹心柔性俘能层3,所述一阶双面夹心柔性俘能层3通过柔性旋转铰链4与二阶双面夹心柔性俘能层5铰接,所述一阶双面夹心柔性俘能层3和所述二阶双面夹心柔性俘能层5均由若干个光电压电复合单元6按照阵列组成；所述一阶双面夹心柔性俘能层3和所述二阶双面夹心柔性俘能层5的形状均为矩形，且所述一阶双面夹心柔性俘能层3的长边与所述二阶双面夹心柔性俘能层5的长边比为2：3，所述一阶双面夹心柔性俘能层3的宽边与所述二阶双面夹心柔性俘能层5的宽边比为2：3，所述一阶双面夹心柔性俘能层3的一侧宽边与所述二阶双面夹心柔性俘能层5的宽边通过柔性旋转铰链4铰接,所述一阶双面夹心柔性俘能层3的另一侧宽边固定于所述圆柱扰流钝体2上。
所述一阶双面夹心柔性俘能层3和所述二阶双面夹心柔性俘能层5均由若干个光电压电复合单元6按照平行矩形阵列组成。
所述光电压电复合单元6包括上光电层601、下光电层602、上隔离层603、下隔离层604、压电层605、上封装层606和下封装层607，所述压电层605的两侧依次粘结所述上隔离层603和所述下隔离层604、所述上光电层601和所述下光电层602、所述上封装层606和所述下封装层607；且所述上光电层601、所述下光电层602、所述上隔离层603、所述下隔离层604、所述压电层605、所述上封装层606和所述下封装层607均为形状相同的矩形。
相邻的三个所述光电压电复合单元6构成一个组，每个组内的所述上光电层601、所述下光电层602产生的光电，所述压电层605产生的压电，每个组内的光电输出与压电输出通过并联方式连接；所有组内的光电输出与压电输出通过串联方式连接。所述上封装层606、所述下封装层607均采用薄质柔性高透光低反射的高分子薄膜材料；所述上光电层601、所述下光电层602均采用染料分子为敏感材料的柔性染料敏化太阳能感光材料；所述上隔离层603、所述下隔离层604均由高强度粘性硅胶涂覆而成。所述压电层605采用柔性高分子压电薄膜材料。
每个组的上光电层和下光电层组成光电功能元8；每个组的压电层组成压电功能元9。
上述一阶双面夹心柔性俘能层3的长边与二阶双面夹心柔性俘能层5的长边比为2：3，一阶双面夹心柔性俘能层3的宽边与二阶双面夹心柔性俘能层5的宽边比为2：3的结论是基于实验得出的：
如表1所示不同结构尺寸比例对压电俘能器响应特性的影响
由表1可以看出，当一阶双面夹心柔性俘能层3与二阶双面夹心柔性俘能层5之间的长、宽边尺寸比例由1：2调整为2：3时，共振风速得到显著下降，共振角度也有所降低，而开路电压得到明显提升，相应地,俘能器输出功率提高了近1.9倍，因此，采用长、宽均为2：3的尺寸比例可以提高低风速工作环境下俘能器的工作效率，同时，相对较低的共振角度也有利于降低对光电吸收的影响。
如图3所示，在此，一种俘能器电能输出装置，包括上述俘能器、整流模块10、电容储能模块7、电压检测模块11、稳压模块12和能量管理模块14，所述压电功能元9压电输出通过整流模块10将交流输出转换为直流输出至电容储能模块7，同时所有所述光电功能元8的光电也输出至电容储能模块7，所述电容储能模块7用于将电能存储，所述电容储能模块7存储的电能依次经过电压检测模块11、能量管理模块14、稳压模块12传输至无线传感节点13，给无线传感节点13供电。
一种俘能器电能输出装置的工作原理：俘能器的所有压电功能元9的压电输出通过整流模块10将交流输出转换为直流输出，同时，与所有光电功能元8的光电输出共同连接电容储能模块7存储能量(能量为电能)。整流模块10采用低导通压降的肖特基或锗基二极管。当电压检测模块11检测到电容储能模块7两端的充电电压达到上升阈值时，能量管理模块14得到信号，电容储能模块7开始放电，经稳压模块12使输出电压稳定在无线传感节点13工作所需电压范围之内，进而实现为无线传感节点13供电。当电压检测模块11检测到电容储能模块7的放电电压小于下降阈值时，能量管理模块14得到信号，控制电容储能模块7停止输出，并使俘能器继续为电容储能模块7充电，直到其达到上升阈值时，重新为无线传感节点13输出电能，实现能量收集。无线传感节点13选择ZigBee通信方式，采用间断性工作方式，降低工作频率，减少无线传感节点13工作时间，在非工作时，进入休眠状态。
本发明还公开了应用有上述的俘能器电能输出装置的一种无线传感节点供电网单元，该供电网包括若干上述俘能器电能输出装置。
实施例2
如图4所示，通过实验研究风荷载响应下输出电压、功率及振动夹角与风向夹角关系。图中说明风向对俘能器的压电输出电压和功率具有重要影响，当风向与俘能器之间的夹角控制在10°～13°时，俘能器的压电转换效率最高。
实施例3
如图5所示，通过实验研究光照响应的功率、电流、电压与光照强度关系。图中说明光照度对俘能器的光电输出电压和功率具有重要影响，随着光照度的增加，光电层的输出电压、短路电流以及输出功率都得到明显提升。
因此，综合来看，将两者压电与光电进行复合可以实现俘能方式的相互补充，通过调整控制风向角以及光照度可以大幅提升双面夹心式光电压电复合柔性俘能器的整体能量利用率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进、部件拆分或组合等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种双面夹心式光电压电复合柔性俘能器,其特征在于,该俘能器包括:固定底座,所述固定底座上固定有圆柱扰流钝体,所述圆柱扰流钝体的上端固定有一阶双面夹心柔性俘能层,所述一阶双面夹心柔性俘能层通过柔性旋转铰链与二阶双面夹心柔性俘能层铰接,所述一阶双面夹心柔性俘能层和所述二阶双面夹心柔性俘能层均由若干个光电压电复合单元按照阵列组成；所述一阶双面夹心柔性俘能层和所述二阶双面夹心柔性俘能层的形状均为矩形，且所述一阶双面夹心柔性俘能层的长边与所述二阶双面夹心柔性俘能层的长边比为2：3，所述一阶双面夹心柔性俘能层的宽边与所述二阶双面夹心柔性俘能层的宽边比为2：3，所述一阶双面夹心柔性俘能层的一侧宽边与所述二阶双面夹心柔性俘能层的宽边通过柔性旋转铰链铰接,所述一阶双面夹心柔性俘能层的另一侧宽边固定于所述圆柱扰流钝体上。
2.根据权利要求1所述的一种双面夹心式光电压电复合柔性俘能器,其特征在于,所述一阶双面夹心柔性俘能层和所述二阶双面夹心柔性俘能层均由若干个光电压电复合单元按照平行矩形阵列组成。
3.根据权利要求2所述的一种双面夹心式光电压电复合柔性俘能器,其特征在于,所述光电压电复合单元包括上光电层、下光电层、上隔离层、下隔离层、压电层、上封装层和下封装层，所述压电层的两侧依次粘结所述上隔离层和所述下隔离层、所述上光电层和所述下光电层、所述上封装层和所述下封装层；且所述上光电层、所述下光电层、所述上隔离层、所述下隔离层、所述压电层、所述上封装层和所述下封装层均为形状相同的矩形。
4.根据权利要求3所述的一种双面夹心式光电压电复合柔性俘能器,其特征在于,相邻的三个所述光电压电复合单元构成一个组，每个组内的所述上光电层、所述下光电层产生的光电，所述压电层产生的压电，每个组内的光电输出与压电输出通过并联方式连接；所有组内的光电输出与压电输出通过串联方式连接。
5.根据权利要求4所述的一种双面夹心式光电压电复合柔性俘能器,其特征在于,所述上封装层、所述下封装层均采用薄质柔性高透光低反射的高分子薄膜材料，所述上光电层、所述下光电层均采用染料分子为敏感材料的柔性染料敏化太阳能感光材料；所述上隔离层、所述下隔离层均由高强度粘性硅胶涂覆而成；所述压电层采用柔性高分子压电薄膜材料。
6.根据权利要求4所述的一种双面夹心式光电压电复合柔性俘能器,其特征在于,每个组的上光电层和下光电层组成光电功能元；每个组的压电层组成压电功能元。
7.一种俘能器电能输出装置，其特征在于，包括权利要求6所述的双面夹心式光电压电复合柔性俘能器，该装置还包括整流模块、电容储能模块、电压检测模块、稳压模块和能量管理模块，所述压电功能元压电输出通过整流模块将交流输出转换为直流输出至电容储能模块，同时所有所述光电功能元的光电也输出至电容储能模块，所述电容储能模块用于将电能存储，所述电容储能模块存储的电能依次经过电压检测模块、能量管理模块、稳压模块传输至无线传感节点，给无线传感节点供电。
8.一种无线传感节点供电单元，其特征在于，包括若干权利要求7所述的俘能器电能输出装置。
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Patent Citations (5)
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