CN112564547A - 一种振动拍击接触的废热热释电能量获取装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动拍击接触的废热热释电能量获取装置及方法，包括振动单元和热释电单元，振动单元中的固定导热板用于与能够产生振动的设备固定，振动导热板和热释电单元由于重力作用，通过螺旋弹簧悬垂在固定导热板的下方，振动导热板和热释电单元便随着振动而向下运动与发动机壁拍击接触，在螺旋弹簧的作用下振动导热板与热释电单元被反向拉拽并与固定导热板接触，随着能够产生振动的设备的不断振动，热释电单元在螺旋弹簧的带动下交替与热源接触‑分离，实现电能的捕获收集。本发明的装置结构简单、零功耗、适用性广，能够成功实现汽车发动机等的废热能量回收，具有巨大的应用前景。

Description

一种振动拍击接触的废热热释电能量获取装置及方法

技术领域

本发明属于废热能量回收技术领域，涉及一种振动拍击接触的废热热释电能量获取装置及方法。

背景技术

全球能源危机的威胁，越来越多的研究人员正专注于探索新的能源资源。由于废热利用的普遍性、可用性和环境友好性已经引起广泛关注。汽车内燃机工作时，燃料燃烧所放出的能量仅有三分之一左右被有效利用为动力输出，其余能量主要以余热能的形式散失，这无疑是一种巨大的浪费。诸如此类，废热能量普遍存在，如果可以将这种废热回收再利用，将是一个重要的能量来源。

热释电效应是指材料的自发极化现象会使得材料表面吸引同等电量的电荷，此时材料本身便呈电中性，但是当其与外界发生能量交换材料温度发生变化时，材料内自发极化强度将会发生改变，表面因极化吸附的电荷量也发生变化，因此表面会释放或捕获一部分电荷，这时材料呈现带电状态或者在闭合电路中产生电流。能够产生热释电效应的一类材料称为热释电材料。当热释电材料的温度升高，增加的温度将导致电偶极子在各自的对称轴附近更加剧烈的摆动。由于摆角的增加，总的平均自发极化降低了，于是电极上感生电荷的量减少，从而产生了电子的流动。如果热释电材料被冷却，电偶极子在各自的对称轴附近的摆动程度降低，电偶极子在更小的角度范围内摆动，自发极化将增强。相应的电极上感生电荷的量也增加，因此在上述反复能量交替的过程中，便会交替产生电流。

目前，关于聚偏氟乙烯(PVDF)基热释电材料的研究应用已有一些报道。但热释电材料持续发电的要求之一是使材料往复不断地与热端和冷端接触，产生温差，交替出现吸热和放热过程，即热释电效应需要热释电材料与热源的交替接触。针对这一问题，大多数关于热释电的研究都需要设计一专用的的驱动设备，且用于驱动消耗的电能已远远超过热释电回收的电能，正是这一原因大大阻碍了热释电材料及器件在实际中的应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种振动拍击接触的废热热释电能量获取装置及方法，借助机车在行驶过程中产生的振动实现驱动，进而实现发动机废热能量回收，无需外界提供能量驱动。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种振动拍击接触的废热热释电能量获取装置，包括振动单元、热释电单元和热源；

所述振动单元包括固定导热板、螺旋弹簧和振动导热板，固定导热板一端与能够产生振动的设备固定，另一端与螺旋弹簧连接，螺旋弹簧的另一端与振动导热板连接；

热释电单元与振动导热板紧密贴合形成导热体，且形成的导热体在螺旋弹簧的带动下能够与热源表面交替接触-分离。

优选地，所述热释电单元为一绝缘封装结构，由内到外依次为热释电材料、电极层和绝缘外壳，电极层通过导线与外界电连接。

优选地，热释电单元与振动导热板通过导热胶紧密贴合，形成一个导热良好的整体。

优选地，热源产生的电流能够通过整流电路接入电容器中存储。

优选地，螺旋弹簧在不受外力的状态下为一平面弹簧，其厚度与尺寸能够根据热释电单元的大小和质量调整。

更进一步优选地，螺旋弹簧由弹性优良的弹簧钢制成，厚度为0.2mm，螺旋环数在3-5圈之间。

优选地，固定导热板和振动导热板都是由导热良好的铜或银、铁制成。

更进一步优选地，振动导热板厚度在1mm以内。

优选地，热释电材料采用含有P(VDF-TrFE-CFE)基的热释电复合材料或 P(VDF-TrFE-CFE)单体制成。

更进一步地，热释电材料选择P(VDF-TrFE-CFE)与BaTiO₃复合、 P(VDF-TrFE-CFE)与BaSiTiO₃复合等等，也可以是P(VDF-TrFE-CFE)单体。

优选地，绝缘外壳采用聚酰亚胺、聚乙烯或聚氯乙烯制成；电极层采用银、铜或金制成。

本发明还公开了基于上述的振动拍击接触的废热热释电能量获取装置进行废热热释电获取的方法，包括：

将固定导热板一侧与能够产生振动的设备固定，固定位置满足螺旋弹簧在最大位移时能够与热源表面接触。

在能够产生振动的设备产生振动的同时，热释电单元在螺旋弹簧的带动下实现与热源的交替接触-分离，发生热释电效应，产生电流.

优选地，产生的电流通过整流电路接入电容器进行电能存储。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的振动拍击接触的废热热释电能量获取装置，包括振动单元和热释电单元，振动单元中的固定导热板用于与能够产生振动的设备固定，振动导热板和热释电单元由于重力作用，通过螺旋弹簧悬垂在固定导热板的下方，振动导热板和热释电单元便随着振动而向下运动与发动机壁拍击接触，在螺旋弹簧的作用下振动导热板与热释电单元被反向拉拽并与固定导热板接触，随着车辆等设备的运行能够产生不断的振动，热释电单元在螺旋弹簧的带动下交替与热源接触- 分离，实现电能的捕获收集。本发明的装置结构设计合理、简单易于实现，借助设备在运行过程中必然存在的振动实现驱动，以热释电单元作为发电单元，热释电单元能够与热源交替接触，发生热释电效应，产生电流，进而实现了利用废热发电的功能。

进一步地，本发明的热释电单元是一个绝缘密封的整体，包括绝缘外壳、热释电材料和电极层，电极层与导线连接。

本发明还公开了基于上述振动拍击接触的废热热释电能量装置获取能量的方法，将装置固定在热源附近，随着系统运行中必然存在的振动，热释电单元在螺旋弹簧的带动下实现与热源的交替接触-分离，发生热释电效应，产生电流，进而实现了利用废热发电的功能。

附图说明

图1是本发明的振动拍击接触的废热热释电能量获取装置示意图；

图2是本发明装置中振动单元的截面结构示意图；

图3是本发明装置中螺旋弹簧在不受外力状态下的示意图；

图4是本发明装置中热释电单元的结构示意图；

图5是本发明实施例的一种废热热释电装置的使用方法示意图；

图6是本发明实施例中利用废热发电的存储电压曲线图。

其中，1：固定导热板；2：螺旋弹簧；3：振动导热板；4：热释电单元；5：导线；6：绝缘外壳；7：热释电材料；8：电极层。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和图2，本发明提出的一种振动拍击接触的废热热释电能量获取装置，包括振动单元和热释电单元4两部分。振动单元包括一个螺旋弹簧2以及固定在其两端的金属导热板，金属导热板包括固定导热板1和振动导热板3，固定导热板1的一端与能够产生振动的设备固定，另一端与螺旋弹簧2固定，螺旋弹簧2的另一端与振动导热板3连接。

参见图3，螺旋弹簧2在不受外力的状态下为一平面弹簧，其厚度与尺寸能够根据热释电单元的大小和质量调整。

作为其中一种实施方式，螺旋弹簧2由弹性优良的弹簧钢制成，厚度为0.2mm，螺旋环数在3-5圈之间。固定导热板1和振动导热板3都是由导热良好的铜或银、铁制成，振动导热板3厚度在1mm以内。

参见图4，热释电单元4是一绝缘密封的整体，由外到内依次为绝缘外壳6，上下两层电极层8以及夹在中间的热释电材料7。

作为其中一种实施方式，热释电材料7是P(VDF-TrFE-CFE)(聚偏氟乙烯- 三氟乙烯-氯氟乙烯)基的热释电复合材料，如P(VDF-TrFE-CFE)与BaTiO₃复合、 P(VDF-TrFE-CFE)与BaSiTiO₃复合等，也可以是P(VDF-TrFE-CFE)单体。绝缘外壳6可以是聚酰亚胺(PI)或聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)等绝缘薄膜材料；电极层8是银、铜、或者是金。

下列以模拟的振动台为例来对本发明的装置结构及工作方法进行说明，参阅图5，该废热热释电获取装置包括固定导热板1、螺旋弹簧2、振动导热板3、热释电单元4、导线5；其中热释电单元4是包括绝缘外壳6、热释电材料7和电极层8；电极层8与导线5连接。

本发明采用实验设备-振动台来模拟发动机的运行工况，用加热板作为热源来模拟发动机壁的温度。具体实验时，将本装置的上端固定在振动台上，振动台靠近热源，螺旋弹簧2在振动时，下侧的热释电单元4与热源表面拍击接触。然后振动台开始产生振动，用以模拟车辆行驶中的振动状态，热释电单元在螺旋弹簧2的带动下实现与热源的交替接触-分离，发生热释电效应，产生电流。产生的电流通过图5所示的整流电路接入电容器，实现电能存储；存储的电压曲线如图6所示，在振动运行的5分钟时间内，产生约6.5V的电压。然后将图5电路的开关推向另一侧，上述收集的电能能够成功使一LED灯点亮长达10秒钟。

同时，以汽车发动机为例，该装置在工作时，具体工作过程为：将固定导热板的上端固定在发动机的上方附近，振动导热板和热释电单元由于重力作用，悬垂在下方。在机车行驶过程中，由于路况与自身原因会产生振动，该装置的振动导热板和热释电单元便随着振动而向下运动与发动机壁拍击接触，热释电材料吸热温度升高，材料内部电偶极子在各自的对称轴附近摆动幅度增大，平均自发极化降低，感应电荷减少，产生电子流动；然后，在螺旋弹簧的作用下振动导热板与热释电单元被反向拉拽并与固定导热板接触，发生热传导，热释电材料温度降低，材料内部电偶极子在各自的对称轴附近摆动幅度减小，平均自发极化增高，感应电荷增加，再次产生电子流动；随着机车的不断振动，热释电单元在螺旋弹簧的带动下交替与热源接触，实现电能的捕获收集，进而实现对发动机废热的能量回收。

综上所述，本发明的热释电能量获取装置与现有的热释电装置相比，具有零功耗、结构简单、质量轻、体积小、适用性广等优点，完全可以利用机车等的自身振动来实现热释电的驱动过程，进而达到废热回收的目的。特别是针对汽车发动机废热回收技术，利用载体运行中固有的振动实现驱动，无需外界提供能量驱动，很好的解决了热释电装置与废热源交替接触的难题。这种废热回收装置结构简单、零功耗、适用性广，能够成功实现汽车发动机的废热能量回收，具有巨大的应用前景。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种振动拍击接触的废热热释电能量获取装置，其特征在于，包括振动单元和热释电单元(4)；

所述振动单元包括固定导热板(1)、螺旋弹簧(2)和振动导热板(3)，固定导热板(1)一端与能够产生振动的设备固定，另一端与螺旋弹簧(2)连接，螺旋弹簧(2)的另一端与振动导热板(3)连接；

热释电单元(4)与振动导热板(3)紧密贴合形成导热体，且形成的导热体在螺旋弹簧(2)的带动下能够与热源表面交替接触-分离。

2.根据权利要求1所述的振动拍击接触的废热热释电能量获取装置，其特征在于，所述热释电单元(4)为一绝缘封装结构，由内到外依次为热释电材料(7)、电极层(8)和绝缘外壳(6)，电极层(8)通过导线(5)与外界电连接。

3.根据权利要求1所述的振动拍击接触的废热热释电能量获取装置，其特征在于，热释电单元(4)与振动导热板(3)通过导热胶紧密贴合。

4.根据权利要求1所述的振动拍击接触的废热热释电能量获取装置，其特征在于，热释电单元(4)产生的电流能够通过整流电路接入电容器中存储。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的振动拍击接触的废热热释电能量获取装置，其特征在于，螺旋弹簧(2)在不受外力的状态下为一平面弹簧，其厚度与尺寸能够根据热释电单元(4)的大小和质量调整。

6.根据权利要求1～4中任意一项所述的振动拍击接触的废热热释电能量获取装置，其特征在于，固定导热板(1)和振动导热板(3)均由铜、银或铁制成。

7.根据权利要求1～4中任意一项所述的振动拍击接触的废热热释电能量获取装置，其特征在于，热释电材料(7)采用含有P(VDF-TrFE-CFE)基的热释电复合材料或P(VDF-TrFE-CFE)单体制成。

8.根据权利要求1～4中任意一项所述的振动拍击接触的废热热释电能量获取装置，其特征在于，绝缘外壳(6)采用聚酰亚胺、聚乙烯或聚氯乙烯制成；电极层(8)采用银、铜或金制成。

9.基于权利要求1～8中任意一项所述的振动拍击接触的废热热释电能量获取装置进行废热热释电获取的方法，其特征在于，包括：

将固定导热板(1)一侧与能够产生振动的设备固定，且固定位置满足螺旋弹簧(2)在最大位移时能够与热源表面接触；

在能够产生振动的设备产生振动的同时，热释电单元(4)在螺旋弹簧(2)的带动下实现与热源的交替接触-分离，发生热释电效应，产生电流。

10.根据权利要求9所述的废热热释电获取的方法，其特征在于，产生的电流通过整流电路接入电容器进行电能存储。

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