CN112039365B - 一种振动能量收集器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液态金属的振动能量收集装置，包括两端开口的空心壳体，空心壳体的两端分别连接有用于盖合空心壳体的第一盖体和第二盖体；第一盖体与空心壳体之间以及第二盖体与空心壳体之间分别对称设置有摩擦纳米发电机组件，摩擦纳米发电机组件包括从外至内依次布置的电极和摩擦电材料，以及盛放在空心壳体内部的液态金属；电极连接有用于传输电荷的导线；第一盖体和第二盖体上开设有用于供导线穿过的通孔。本发明提供的振动能量收集装置低频响应好，工作频域宽，适用于多方向能量收集，且能够与多种能量收集结构结合，在双稳态结构振动能量收集器、悬臂梁振动能量收集器等领域具有很好的应用前景。

Description

一种振动能量收集器及其应用

技术领域

本发明属于振动能量收集技术领域，具体涉及一种基于液态金属的振动能量收集装置及其应用。

背景技术

随着无线传感网络和微机系统的发展，微电子设备在小尺寸，低功耗方向取得了巨大的进展，而传统化学电池因为尺寸大，寿命有限，在一定程度上制约了无线传感网络和微机系统的发展。此外很多无线传感网络和微机系统的节点数量众多，而整个网络系统的工作时间又取决于某一单一节点的电池储量，在某些复杂环境下，电池的更换及维护比较麻烦，增大了成本。因此如果能收集环境中的能量，例如振动能、风能、太阳能等，利用能量收集器先将环境中这些的能量收集起来，然后经过整流升压等方法将其转化为稳定可用的电能存储到储能元件中，然后再为这些节点供电，提高各节点的续航能力，进而提高整个系统性能，使得无线传感网络和微机系统实现一定程度上的自给自足，这将对无线传感网络和微机系统的发展起到推动作用。

振动作为自然界中广泛存在的一种能量，例如海洋的波浪，人体的运动和机械的振动等，具有很大的利用潜力。目前常见的振动能量收集器根据其原理分为电磁式能量收集器、静电式能量收集器、压电式能量收集器、磁致伸缩式能量收集器、摩擦纳米发电机以及复合式能量收集器。压电式传感器由于结构简单，易于微型化等优点在振动能量收集中应用广泛，但由于压电材料脆性大，使用过程中不能承受较大应变，容易疲劳，限制了压电振动能量收集器的工作效率。近些年来，有科研团队提出了摩擦纳米发电机。摩擦纳米发电机的体积小，电压大，能量密度高，低频适应性好，十分适用于为无线传感网络和微机系统供电。

由于自然界的大多数振动都表现出低频，宽频，多方向的特点，使这些振动能量的收集比较困难。专利CN201520956231.X提出了一种低频电磁能量收集器，但其主要用于收集某一方向的振动能量，且频带集中于悬臂梁固有频率附近。专利 CN201510850660.3提出了一种多方向压电振动能量收集器，他在环形支架内对称设置了三个悬臂梁，三个质量块用弹簧两两连接，相互作用，在悬臂梁两面贴上压电材料来收集各个方向的振动能量。而针对自然界振动的宽频特性，很多团队提出了双稳态结构的能量收集器，但是当外界激励振幅较小时，双稳态能量收集装置很难越过势垒，从而只能在单个势阱内小幅振动，相比于线性能量收集器反而会降低收集能量的效率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于液态金属的振动能量收集装置，本能量收集装置能够适应更低的振动频率、可拓宽工作频带，具有多方向收集振动能量的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于液态金属的振动能量收集装置，包括两端开口的空心壳体，所述空心壳体的两端分别连接有用于盖合空心壳体的第一盖体和第二盖体；所述第一盖体与空心壳体之间以及第二盖体与空心壳体之间分别对称设置有摩擦纳米发电机组件，所述摩擦纳米发电机组件包括从外至内依次堆放在第一盖体与空心壳体之间的电极、摩擦电材料，以及盛放在空心壳体内部的液态金属；所述电极连接有用于传输电荷的导线；所述第一盖体和第二盖体上开设有用于供导线穿过的通孔。

作为优选的技术方案，所述空心壳体呈圆柱状，所述空心壳体的外表面具有外螺纹，所述第一盖体和第二盖体的内部具有与外螺纹适配的内螺纹，所述第一盖体、第二盖体通过内螺纹和外螺纹的配合与空心壳体螺纹连接。

作为优选的技术方案，所述第一盖体与电极、第二盖体与电极之间均放置有密封圈。通过设置密封圈，使装置具有更好的密封效果。进一步优选的，所述密封圈为硅胶材质。

作为优选的技术方案，所述摩擦电材料为聚酰亚胺薄膜；所述电极为铜片电极；所述液态金属为无毒材料镓金属；所述通孔采用热熔枪密封。

作为优选的技术方案，所述第一盖体、第二盖体的侧壁延其轴向方向均开设有用于供导线穿过的容纳槽。

本发明的第二个目的是提供一种双稳态结构振动能量收集器，包括外壳，所述外壳的中部外侧对称固定有第一外部磁铁和第二外部磁铁；所述外壳的内部弹性连接有振动能量收集单元，所述振动能量收集单元的顶部和底部分别通过弹簧与外壳的顶部和底部弹性连接；所述振动能量收集单元的中部固定有内部磁铁；所述振动能量收集单元包括至少一个上述所述的振动能量收集装置；所述外壳的一端开设有用于供导线穿过的连接孔。进一步优选的，所述振动能量收集单元包括两个振动能量收集装置，分别为第一振动能量收集装置和第二振动能量收集装置，第一振动能量收集装置和第二振动能量收集装置通过连接组件嵌套连接在一起；所述连接组件包括固定在第一振动能量收集装置底部的定位圆环以及固定在第二振动能量收集装置顶部的定位凸起，所述定位圆环的中部开设有与定位凸起适配的定位凹槽；所述定位凸起的纵截面为台阶状；所述内部磁铁布置在第一振动能量收集装置和第二振动能量收集装置之间并套设在定位凸起上。

进一步优选的，所述振动能量收集单元与外壳之间还设置有润滑轴承。通过润滑轴承可以减小振动能量收集单元与外壳之间的滑动摩擦力，提高能量收集效率；同时降低外壳和壳体的磨损，延长装置的使用寿命。

本发明的第三个目的是提供一种充电器，包括上述所述的基于液态金属的振动能量收集装置以及与其相连的充电电路，所述充电电路包括整流电路、滤波电路、稳压电路、可充电电池和充电接口；所述整流电路与滤波电路、稳压电路、可充电电池和充电接口依次相连。所述整流电路采用桥式整流电路，由四个二极管构成，将振动能量收集装置输出的交流电变为脉动直流电；所述滤波电路采用电容C1，是将脉动直流电变为比较平滑的直流电，但是得到的直流电不稳定；稳压电路由芯片LM317，电阻，二极管，电容构成，能够得到稳定的直流电；稳定的直流电可以充电锂电池储存电能，并通过不同的充电接口为可穿戴器件(智能手表、手机，智能眼镜等)充电。

需要说明的是，上述芯片LM317、电阻、电容、二极管等均为市购产品，其具体的工作原理在此不作累述。

本发明的第四个目的是提供一种悬臂梁振动能量收集器，包括悬臂梁，所述悬臂梁的自由端固定连接有上述所述的基于液态金属的振动能量收集装置，所述振动能量收集装置连接有充电电路；所述充电电路包括整流电路、滤波电路、稳压电路、可充电电池和充电接口；所述整流电路与滤波电路、稳压电路、可充电电池和充电接口依次相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的基于液态金属的振动能量收集装置，通过液态金属与摩擦电材料之间的摩擦来发电，使得该装置具有很强的低频、宽频和多方向能量收集能力。即使是在极低的振动频率下也能使得液态金属在壳体内部产生较大的振幅去触碰两端的摩擦电材料从而产生电能，并且也能够在很宽的低频频段工作。另外，由于液体的流动性，使得任何方向的振动都可以使得液态金属在壳体内部产生振动，使得该装置也具备多方向的能量收集能力。

(2)本发明提供的基于液态金属的振动能量收集装置的发电原理为液态金属的摩擦发电原理，不仅相对于传统的振动能量收集装置，比如电磁式或者压电式来说具有非常高的能量密度和能量转换效率，而且更是传统固-固类型的摩擦发电装置的能量密度的4-5倍。

(3)本发明提供的基于液态金属的振动能量收集装置能够应用在多种振动结构中，用于与多种振动能量收集结构相结合，进一步提高该装置的能量收集能力。比如：基于该装置设计得到的双稳态结构振动能量收集器可以置于浮标中，收集外界的振动能量来为浮标内的采集装置供电；基于该装置设计得到的充电器，可放置在鞋子底部，为可穿戴器件(智能手表、手机，智能眼镜等)充电；基于该装置设计得到的悬臂梁振动能量收集器，可用于代替悬臂梁末端的质量块，进一步收集电能，提高能量利用率。

(4)本发明提供的装置实用性强，实施方式具有多样性，应用范围广泛。可以通过收集环境中的振动能量，为微型传感器、可穿戴器件等低功耗的微电子元器件供能；可以通过收集水流动能，为微型水下航行器、海面救援设备供能；还可以通过收集风能，提高传统风能发电的发电效率。

附图说明

图1为基于液态金属的振动能量收集装置的爆炸结构示意图；

图2为摩擦纳米发电原理图；

图3为应用例1中充电器的结构框图；

图4为应用例1中充电电路的电路原理图；

图5为应用例1中充电器的使用示例图；

图6为应用例2中双稳态结构振动能量收集器的结构示意图；

图7为双稳态结构振动能量收集器外壳内部的剖视图；

图8为振动能量收集单元的结构示意图；

图9为图8的爆炸图；

图10为应用例3中悬臂梁振动能量收集器的结构示意图；

附图标记：100-基于液态金属的振动能量收集装置，101-空心壳体，102-第一盖体， 103-第二盖体，104-通孔，105-容纳槽，201-电极，202-摩擦电材料，203-导线，204-密封圈，301-外壳，302-第一外部磁铁，303-第二外部磁铁，304-弹簧，305-内部磁铁，306- 连接孔，307-第一振动能量收集装置，308-第二振动能量收集装置，309-定位圆环，310- 定位凸起，311-定位凹槽，312-润滑轴承，401-整流电路，402-滤波电路，403-稳压电路，404-可充电电池，405-充电接口，501-悬臂梁。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明中“固定连接”、“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。术语“弹性连接”是指两部件连接在一起并能相对运动；对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要理解的是术语，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为本发明的限制。术语“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。

实施例1

参考图1，一种基于液态金属的振动能量收集装置100，包括两端开口的空心壳体101，所述空心壳体101的两端分别连接有用于盖合空心壳体101的第一盖体102和第二盖体103；所述第一盖体102与空心壳体101之间以及第二盖体103与空心壳体101 之间分别对称设置有摩擦纳米发电机组件，所述摩擦纳米发电机组件包括从外至内依次堆放在第一盖体102与空心壳体101之间的电极201、摩擦电材料202，以及盛放在空心壳体内部的液态金属；所述电极201连接有用于传输电荷的导线203；所述第一盖体 102和第二盖体102上开设有用于供导线穿过的通孔104；所述第一盖体102、第二盖体 102的侧壁延其轴向方向均开设有用于供导线203穿过的容纳槽105。优选的，所述摩擦电材料202为聚酰亚胺薄膜；所述电极201为铜片电极；所述液态金属为无毒材料镓金属；所述通孔104采用热熔枪密封。

一个优选的实施方式中，所述空心壳体101呈圆柱状，所述空心壳体101的外表面具有外螺纹，所述第一盖体102和第二盖体103的内部具有与外螺纹适配的内螺纹，所述第一盖体102、第二盖体103通过内螺纹和外螺纹的配合与空心壳体101螺纹连接。进一步的，为了使装置具有更好的密封效果，所述第一盖体102与电极201、第二盖体 103与电极201之间均放置有密封圈204；所述密封圈204优选为硅胶材质。

本发明提供的基于液态金属的振动能量收集装置的发电原理为摩擦纳米发电机原理，参考图2，液态金属镓倒入空心壳体101内部后与一端的聚酰亚胺薄膜表面接触，由于液态金属和聚酰亚胺薄膜吸收电子的不同能力，电子从液态金属转移到聚酰亚胺薄膜表面，在液态金属界面处产生正电荷，在聚酰亚胺薄膜表面上产生负电荷。在外界的振动激励下，两种材料被分离，并在它们之间形成电位差。为了抵消电场，电子将从上端的铜片电极流到下端的铜片电极，形成反向电流。当液态金属继续上升时，它将与聚酰亚胺薄膜上表面碰撞。类似于先前的过程，液态金属还与上部聚酰亚胺薄膜进行电荷转移。在液态金属下落过程中，由于液态金属与上部聚酰亚胺薄膜之间的电势差，它将产生在与先前过程方向相反的电流。当液态金属在内部往复运动撞击两侧摩擦材料，就会在两电极间交替产生电势差，产生交流电。

应用例1

本应用例提供一种充电器，参考图3-5，包括至少一个如实施例1所述的基于液态金属的振动能量收集装置100以及与其相连的充电电路，所述充电电路包括整流电路 401、滤波电路402、稳压电路403、可充电电池404和充电接口405；所述整流电路401 与滤波电路402、稳压电路403、可充电电池404和充电接口405依次相连。所述整流电路401采用桥式整流电路，由四个二极管构成，将振动能量收集装置输出的交流电变为脉动直流电；所述滤波电路402由电容C1组成，是将脉动直流电变为比较平滑的直流电，但是得到的直流电不稳定；通过稳压电路能够得到稳定的直流电，稳压电路包括芯片LM317、二极管D2、电容C2、电阻R1、电阻RP、电容C3构成，稳定的直流电可以充电锂电池储存电能，并通过不同的充电接口为可穿戴器件(智能手表、手机，智能眼镜等)充电。

再参考图4，整流电路的输入端与振动能量收集装置100相连，整流电路的正极输出端分别与电容C1的一端、芯片LM317的输入端相连；芯片LM317的输出端分别与二极管D2的阴极、电阻R1的一端、电容C3的一端、可充电电池的一端、充电接口的一端相连；芯片LM317的ADJ端口分别与二极管D2的阳极、电容C2的一端、电阻 R1的另一端、电阻RP的一端相连；整流电路的负极输出端分别与电容C1的另一端、电容C2的另一端、电阻RP的另一端、电容C3的另一端、可充电电池的另一端、充电接口的另一端相连。

应用例2

本应用例提供一种双稳态结构振动能量收集器，参考图6-9，包括外壳301，所述外壳301的中部外侧对称固定有第一外部磁铁302和第二外部磁铁303；所述外壳301 的内部弹性连接有振动能量收集单元，所述振动能量收集单元的顶部和底部分别通过弹簧304与外壳301的顶部和底部弹性连接；所述振动能量收集单元的中部固定有内部磁铁305；所述振动能量收集单元包括至少一个上述所述的振动能量收集装置100；所述外壳301的一端开设有用于供导线203穿过的连接孔306。进一步优选的，所述振动能量收集单元包括两个如实施例1所述的振动能量收集装置，分别为第一振动能量收集装置307和第二振动能量收集装置308，第一振动能量收集装置307和第二振动能量收集装置308通过连接组件嵌套连接在一起；所述连接组件包括固定在第一振动能量收集装置307底部的定位圆环309以及固定在第二振动能量收集装置308顶部的定位凸起310，所述定位圆环309的中部开设有与定位凸起310适配的定位凹槽311；所述定位凸起310 的纵截面为台阶状；所述内部磁铁305布置在第一振动能量收集装置307和第二振动能量收集装置308之间并套设在定位凸起310上。为了减小振动能量收集单元与外壳之间的滑动摩擦力，提高能量收集效率，所述振动能量收集单元与外壳301之间还设置有润滑轴承312；润滑轴承312同时可以降低外壳和壳体的磨损，延长装置的使用寿命。

上述双稳态结构振动能量收集器的原理为：在外界的振动激励下，振动能量收集单元在弹簧力的作用下做受迫运动，固定在振动能量收集单元上的内部磁铁305与第一外部磁铁302、第二外部磁铁303在同性相斥、异性相吸的相互作用下达到双稳态；一个实施方式中，内部磁铁305的上部为N极、下部为S极，与其相对应的，第一外部磁铁 302和第二外部磁铁303的上部为N极、下部为S极。此外，当内部磁铁的上部为S极，下部为N极时，对应将第一外部磁铁302和第二外部磁铁303的上部调整为S极、下部调整为N极，也可达到相同的效果。双稳态的具体过程为：当振动能量收集单元在第一外部磁铁302、第二外部磁铁303的上方时，第一外部磁铁302、第二外部磁铁303对内部磁铁305的向上斥力与内部磁铁305受到的弹簧向下的挤压达到平衡，构成第一个稳态点；振动能量收集单元在第一外部磁铁302、第二外部磁铁303的下方时，第一外部磁铁302、第二外部磁铁303对内部磁铁305的向下斥力与内部磁铁305受到的弹簧向上的推力达到平衡，构成第二个稳态点。这种情况下，振动能量收集单元的振幅与频带都得到了增加，从而增加了装置的能量收集能力。

将双稳态结构振动能量收集器与充电电路相连即可发挥充电器作用，可置于浮标中，收集外界的振动能量来为浮标内的采集装置供电；充电电路与应用例1中的充电电路结构相同。

应用例3

本应用例提供一种悬臂梁振动能量收集器，参考图10，包括悬臂梁501，所述悬臂梁501的自由端固定连接有如实施例1所述的振动能量收集装置100。

传统的悬臂梁501一般在自由端放置一个配重块，然后在悬臂梁变形大的地方贴上压电片，在外界的振动激励下，悬臂梁发生弯曲从而带动粘贴在悬臂梁上的压电片弯曲，通过压电效应，产生输出电流。在本应用例中，我们采用振动能量收集装置100替代传统的配重块设计，在不影响原来输出的情况下，使得在压电片发电过程中，振动能量收集装置100也可以额外的输出，提高了悬臂梁结构的能量输出效率。

所述悬臂梁振动能量收集器与充电电路相连即可发挥充电器作用，可以置于汽车、轮船中，收集外界的振动能量来为汽车、轮船中的低功耗器件供电；充电电路与应用例1中的充电电路的相同。

Claims (8)

1.一种双稳态结构振动能量收集器，其特征在于：包括外壳，所述外壳的中部外侧对称固定有第一外部磁铁和第二外部磁铁；所述外壳的内部弹性连接有振动能量收集单元，所述振动能量收集单元的顶部和底部分别通过弹簧与外壳的顶部和底部弹性连接；所述振动能量收集单元的中部固定有内部磁铁；所述外壳的一端开设有用于供导线穿过的连接孔；

所述振动能量收集单元包括两个结构相同的基于液态金属的振动能量收集装置，分别为第一振动能量收集装置和第二振动能量收集装置；所述基于液态金属的振动能量收集装置包括两端开口的空心壳体以及盛放在空心壳体内部的液态金属，所述空心壳体的两端分别连接有用于盖合空心壳体的第一盖体和第二盖体；所述第一盖体与空心壳体之间以及第二盖体与空心壳体之间分别对称设置有摩擦纳米发电机组件，所述摩擦纳米发电机组件包括从外至内依次布置的电极和摩擦电材料，液态金属分别与两摩擦电材料接触分离实现摩擦发电；所述电极连接有用于传输电荷的导线；所述第一盖体和第二盖体上开设有用于供导线穿过的通孔；

所述第一振动能量收集装置和第二振动能量收集装置通过连接组件嵌套连接在一起；所述连接组件包括固定在第一振动能量收集装置底部的定位圆环以及固定在第二振动能量收集装置顶部的定位凸起，所述定位圆环的中部开设有与定位凸起适配的定位凹槽；所述定位凸起的纵截面为台阶状；所述内部磁铁布置在第一振动能量收集装置和第二振动能量收集装置之间并套设在定位凸起上。

2.根据权利要求1所述的双稳态结构振动能量收集器，其特征在于：所述空心壳体呈圆柱状，所述空心壳体的外表面具有外螺纹，所述第一盖体和第二盖体的内部具有与外螺纹适配的内螺纹，所述第一盖体、第二盖体通过内螺纹和外螺纹的配合与空心壳体螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的双稳态结构振动能量收集器，其特征在于：所述第一盖体与电极、第二盖体与电极之间均放置有密封圈。

4.根据权利要求1所述的双稳态结构振动能量收集器，其特征在于：所述摩擦电材料为聚酰亚胺薄膜；所述电极为铜片电极；所述液态金属为无毒材料镓金属；所述通孔采用热熔枪密封。

5.根据权利要求1所述的双稳态结构振动能量收集器，其特征在于：所述第一盖体、第二盖体的侧壁延其轴向方向均开设有用于供导线穿过的容纳槽。

6.根据权利要求1所述的双稳态结构振动能量收集器，其特征在于：所述振动能量收集单元与外壳之间还设置有润滑轴承。

7.一种充电器，其特征在于：包括如权利要求1-5任一项所述的双稳态结构振动能量收集器以及与其相连的充电电路，所述充电电路包括整流电路、滤波电路、稳压电路、可充电电池和充电接口；所述整流电路与滤波电路、稳压电路、可充电电池和充电接口依次相连。

8.一种悬臂梁振动能量收集器，其特征在于：包括悬臂梁，所述悬臂梁的自由端固定连接有如权利要求1-5任一项所述的双稳态结构振动能量收集器，所述双稳态结构振动能量收集器连接有充电电路；所述充电电路包括整流电路、滤波电路、稳压电路、可充电电池和充电接口；所述整流电路与滤波电路、稳压电路、可充电电池和充电接口依次相连。

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