CN112953301A - 一种透明压电能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
一种透明压电能量收集装置，包括在受到外部机械力作用时将机械能转变为电能的换能模块和收集所述换能模块产生的电能的集能模块；所述换能模块包括：透明且两侧表面具有透明电极的压电晶体；以及通过有机膜分别粘接于所述压电晶体的外侧的玻璃层。本发明兼具高透光率和良好的能量转换效率，能无时无刻地将受到的外力转化为电能。
Description
技术领域
本发明涉及透明压电换能及能量收集技术领域，尤其涉及一种透明压电能量收集装置。
背景技术
传统的储能装置应用领域较为苛刻，而自然界中存在的能量很高却难以去收集。传统的能量收集装置已知有使用压电晶体将机械能转化为电能的装置。
这种现有的由压电单晶构成的压电换能装置透光率较差，在收集能量的同时却难以满足透光的需求，因此无法满足，楼宇、智能终端、显示与能量收集一体化相结合，更难以实现透光与能量收集相结合，将显示与能量收集装置相结合。
由此可见，目前急需一种能够将能适用于运用于交通运输、人工智能、智能终端的将透光特性与能量收集一体化相结合且具有一定刚性的能量收集装置。
发明内容
发明要解决的问题：
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有高透光率和高能量转化效率的透明压电能量收集装置。
解决问题的技术手段：
为解决上述问题，本发明提供一种透明压电能量收集装置，包括在受到外部机械力作用时将机械能转变为电能的换能模块和收集所述换能模块产生的电能的集能模块；所述换能模块包括：透明且两侧表面具有透明电极的压电晶体；以及通过有机膜分别粘接于所述压电晶体的外侧的玻璃层。
根据本发明，透明压电能量收集装置形成为集能模块全透明的结构，同时兼具高透光率和良好的能量转换效率，能无时无刻地将受到的外力转化为电能。此外，由于集能模块形成为对称的复合结构，因此无论外力来自于哪个侧面，都能有效地进行能量转换。
也可以是，本发明中，所述压电晶体的材料为PMNT或PIMNT单晶；所述压电晶体的厚度方向为[001]晶向，并沿厚度方向极化。由此能使压电晶体在受到外力时在表面产生的电荷数目更多，从而转化得到的点和更多，改善了能量转化效率，而透明电极能在保证压电晶体的透光率的同时确保其导电性。
也可以是，本发明中，所述有机膜为由PET膜、PET离型膜和介于它们之间的光学级PET基材通过压敏胶复合而成的PET复合膜；所述有机膜通过所述压敏胶粘接所述压电晶体与所述玻璃层。由此能构成透过率高、防刮、耐磨损、涂层较薄且具有良好透气性的复合膜。能克服在粘接过程中产生雪花纹路、阴影等问题，保持优良的透过性、较低的黏性、优越的透气性。
也可以是，本发明中，所述压敏胶包括有机硅压敏胶和光学透明压敏胶。有机硅压敏胶对压力非常敏感，在受到压力后会产生形变体，其具有非常好的贴合度，不会损伤晶体。光学透明压敏胶是具有高光透过率的胶体，能确保透明压电能量收集装置的透明度。
也可以是，本发明中，所述玻璃层上沉积有导电涂层，所述导电涂层与所述压电晶体上的所述透明电极相导通，所述导电涂层将所述压电晶体产生的电能传输给所述集能模块。
也可以是，本发明中，所述集能模块包括与所述透明电极连接的整流电路和储能单元。
发明效果：
本发明兼具高透光率和高能量转化效率，全透明的结构能够广泛地应用于各种环境中，能在多个方向上无时无刻地将所受外力转化为电能，从而减少不可再生能源的消耗与二氧化碳的排放。
附图说明
图1是根据本发明一实施形态的透明压电能量收集装置的结构示意图；
图2是图1所示透明压电能量收集装置的有机膜的结构示意图；
符号说明：
1、压电晶体；11、透明电极；2、有机膜(PET复合膜)；21、光学级PET基材(光学级聚酯基材)；22、PET膜(聚酯薄膜)；23、PET离型膜；3、玻璃层；101、201、有机硅压敏胶；102、202、光学透明压敏胶；4、集能电路(集能模块)；41、整流电路(桥式整流电路)；42、储能单元；D1～D4、二极管。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
在此公开一种具有高透光率和高能量转化效率的透明压电能量收集装置。该透明压电能量收集装置可以将自然界中无时无刻存在的能量转换为电能，减少二氧化碳的排放，增加能源利用率，是一种符合当下绿色节能环保的装置。
图1是根据本发明一实施形态的透明压电能量收集装置的结构示意图。如图1所示，透明压电能量收集装置包括将机械能转化为电能的换能模块和收集电能的集能模块两部分。
换能模块是由两侧表面具有透明电极11的压电晶体1、分别粘接于压电晶体1的两侧的两个有机膜2和分别粘接于两个有机膜2外侧的两个玻璃层3复合构成的层状结构。
压电晶体1为透明的压电材料，例如可以是通过对由Bridgman法生长得到的大尺寸铁电单晶、例如PMNT或PIMNT单晶进行处理制备得到，其作为集能模块的核心发挥将受到的机械能转化为电能的作用。
压电单晶的能量转化过程是由三个过程组成的，第一个过程为晶体受到外力；第二个过程为晶体发生形变；第三个过程为晶体产生电荷。这个过程为正压电效应，反之则为逆压电效应。可用第一类压电方程(边界条件为机械自由和电学短路)来表示：
D＝dT+εTE；
S＝SET+dTE
式中，第一个方程描述了正压电效应，第二个方程描述了负压电效应，D为电位移，d为压电应变常数，T为应力，εT为介电常数，E为电场，S为应变，SE为弹性柔顺系数。力学量(应力或应变)与电学量(电位移或电场)的转换中，压电应变常数d是压电常数的一种描述，为机械能(或电能)转换为电能(或机械能)的比例常数，反映了应力T、应变S、电场E或电位移D之间的联系，是表征压电材料性能的最常用的重要参数之一，一般压电材料的压电常数越高，压电性能越好。常用的有例如d33、d31等压电应变常数，具体地，d33是极化方向与外力方向相同的压电系数，d31是极化方向与外力方向垂直的压电系数。
本发明借助压电晶体的正压电效应进行能量转化，采用d31压电常数，该类压电常数可以将更多的机械应变转化为电能，其转换效率更高，当晶体所受外力时在表面产生的电荷数目更多，从而转化所得到的电荷更多。
本实施形态中，先对压电晶体1进行表面处理，然后在其上下表面沉积透明电极11。具体而言，压电晶体1选取三方相附近的单晶，由于该晶体本身透明度并不高，因此在三倍矫顽场下对其进行交流极化，然后对压电晶体1的一侧表面进行抛光，在使其减薄后翻面对另一侧表面再进行抛光，抛光时间例如可以是12小时。由此能确保压电晶体1具有高透光率，能透过该压电晶体1清晰地看到对面的物体。随后在抛光好的两侧表面沉积透明电极11，并从两个透明电极11上引出导线。由此既保证了压电晶体透光率，又可以保证压电晶体的导电性，在光学性能和电学性能两方面进行性能的提升。接着从处理好的压电晶体1的两个透明电极11上引出导线连接后述的整流电路41，然后经由有机膜2将压电晶体1封装至玻璃层3内。此处，压电晶体的厚度方向为[001]晶向，并沿厚度方向极化。本实施形态中，压电晶体1的厚度可以是小于0.2mm，透明电极11可以通过例如PLD(脉冲激光沉积)制备得到，其厚度可以是200nm左右。
有机膜2由多层聚酯薄膜复合而成，主要用于连接压电晶体1与后述的玻璃层3。图2是透明压电能量收集装置的有机膜2的结构示意图。
如图2所示，有机膜2是由PET膜22、PET离型膜23和介于它们之间的光学级PET基材21通过压敏胶粘接复合而成的PET复合膜。PET膜22即普通的聚酯薄膜，是以聚对苯二甲酸乙二醇酯为原料，采用挤出法制成厚片，再经双向拉伸制成的薄膜材料，其机械性能优良，耐刮伤磨损，耐高低温且透明性良好。PET离型膜23即聚酯离型膜，其由PET底材经过涂布硅油而成，具有良好的吸附性和贴合性。光学级PET基材21即光学级聚酯基材，除了具有普通PET膜的所有基本特性之外，还具有超高透光率、低色差、抗反射等优异的光学特性。
压敏胶包括有机硅压敏胶和光学透明压敏胶。其中，有机硅压敏胶是一类对压力非常敏感，在受到压力后会产生形变收缩的胶体，其具有非常好的贴合度，不会损伤晶体。光学透明压敏胶是一类无色透明、光透过率在95％以上的胶体，其粘接强度好，不产生黄变且耐腐蚀。
本实施形态中，在光学级PET基材21的一侧表面利用有机硅压敏胶201与PET膜22粘接，在另一侧表面利用光学透明压敏胶202与PET离型膜23粘接，由此复合形成具有高透过率、防刮、耐磨且透气性良好等特性的有机膜2。然后在有机膜2的两外侧表面涂布压敏胶(有机硅压敏胶101和光学透明压敏胶102)，由此构成用于将压电晶体1与玻璃层3粘接的PET双面涂胶复合膜。本实施形态中，光学级PET基材21的厚度可以是50-100μm，PET膜22的厚度可以是50-100μm，PET离型膜23的厚度可以是50-100μm，有机膜2的整体厚度可以是小于500μm。
玻璃层3可以是具有高透光率的有机玻璃，主要用于封装压电晶体1和有机膜2，承受外力并将该外力向封装在其内部的压电晶体1传递。玻璃层3通过压敏胶粘接于有机膜2的外侧表面。本实施形态中，在玻璃层3上沉积有导电涂层(未图示)，该导电涂层与压电晶体1上的透明电极相导通11，将压电晶体1受外部机械力而产生的电能传输给后述集能模块。此外，玻璃层3不限于有机玻璃，也可以是高透光率的其他透明材料。
像这样，对压电晶体1的两侧表面进行抛光然后镀上两个透明电极11并从两个电极上引出导线，在两个透明电极11上分别粘接PET双面涂胶复合膜，在对两个玻璃层3沉积导电涂层后再将两个玻璃层3粘接至两个PET双面涂胶复合膜的外侧表面，由此复合形成具有对称结构的层叠型的换能模块。
另外，在对压电晶体1封装之前，先要将其接入作为集能模块的集能电路4。该集能电路4是用于收集压电晶体1产生的电能，其包括形成为桥式整流电路的整流电路41和储能单元42。整流电路41主要用于对压电晶体1产生的不均匀电流进行整流，储能单元42用于储存电能，并将该电能向用电装置供给。
本实施形态中，集能电路4在其正半周期，对二极管D2、D3加正向电压，二极管D2、D3导通，对二极管D1、D4加反向电压，二极管D1、D4截止，电流从作为正极的一侧透明电极11流出，依次流经二极管D2、储能单元42、二极管D3，流入作为负极的另一侧透明电极11。而在负半周期，对二极管D1、D4加正向电压，二极管D1、D4导通，对二极管D2、D3加反向电压，二极管D2、D3截止，电流从作为正极的一侧透明电极11流出，依次流经二极管D4、储能单元42、二极管D1，流入作为负极的另一侧透明电极11。由于压电晶体在受力形变极化之后才会出现正负极，所以一对透明电极11中的正负极取决于压电晶体1的受力方向，但无论透明电极11中正负极如何分布，集能电路4都能通过桥式整流电路41对其进行整流，并将电能储存于储能单元42。
以下简要说明本发明的透明压电能量收集装置的制备方法，其包括以下步骤。
1)制备有机膜2。具体地，如图2所示，在光学级PET基材21的一侧表面上涂布有机硅压敏胶201，与PET膜22的一侧表面粘接复合，然后在该光学级PET基材21的另一侧表面上涂布光学透明压敏胶202，PET离型膜23的一侧表面粘接复合。
2)对压电晶体1的正反两侧表面进行抛光，抛光时间可以是12小时。
3)在抛光后的压电晶体1的正反两侧表面上例如通过脉冲沉积仪镀上透明电极11，该透明电极可以是AZO、即铝掺杂氧化锌薄膜。
4)从两个透明电极11引出导线，并通过导线接入集能电路4中的整流电路41。
5)在有机膜2的两个外侧表面分别涂布压敏胶，通过由此得到PET双面涂胶复合膜粘接压电晶体1与玻璃层3。具体地，在有机膜2中的PET膜22的另一侧表面、即位于光学级PET基材21相反侧的外侧表面上涂布有机硅压敏胶101，与压电晶体1粘接复合，在有机膜2中的PET离型膜23的另一侧表面、即位于光学级PET基材21相反侧的外侧表面上涂布光学透明压敏胶102，与玻璃层3粘接复合。
此外，在透明压电能量收集装置的制备过程中，还要对层结构进行切割以获得希望的尺寸外形。在切割过程中，由于玻璃的脆性，需要在粘接复合前对玻璃层3进行单独切割，其余的部分如压电晶体1和有机膜2可以分别单独切割。
像这样，采用上述制备方法制备的透明压电能量收集装置，其换能模块通过有机硅压敏胶和光学透明压敏胶形成为中间为压电晶体1，在两侧粘接有机膜2，然后再在两侧粘接玻璃层3的对称夹心型层叠结构，因此无论外力来自于哪个侧面，透明压电能量收集装置都能进行能量转化。同时，本发明所采用的粘接复合方法克服了普通胶体在粘接过程中产生雪花纹路、阴影等问题，保持了优良的透过性、较低的黏性、优越的透气性。在与压电晶体复合后形成全透明的装置，从而保持了高透光率。这种粘接复合法将胶体理论与静电理论相结合，借助静电作用产生的范德华力和胶体理论的硅胶吸附作用在较低黏性的情况下产生较强的粘接强度。
根据本发明，可以将无时无刻所受的外力转化为电能，从而减少不可再生能源的消耗与二氧化碳的排放，是一种方便使用的能量转换与收集装置。只要将复合的换能模块与包括桥式整流电路的集能模块相组合，就可实现力学到电学性能之间的互相转化。
工业应用性：
本发明的透明压电能量收集装置与普通的压电陶瓷不同，克服了普通压电陶瓷透光率差的原因，能满足较高的透光率，高透光率与压电性能相结合制成的透明压电能量收集装置在交通运输、建筑楼宇、智能手机等领域都极具潜力。可以用于例如各种交通工具的挡风玻璃、建筑所用的装饰玻璃等场合，也可用在小型装置例如手机、智能手表等场合。
具体地，可以将透明压电能量收集装置运用于地铁迎风口，为地铁口的指示灯、电动标语及灯光进行供电。
也可以是将该透明压电能量收集装置用于汽车前挡风玻璃处，为汽车主要器件之一的电瓶器进行供电，可以有效避免电瓶亏电对器件造成的损坏，提高电瓶使用效率。还可用于汽车指示灯，减少尾气排放与污染。
该透明压电能量收集装置还可用于住宅、商场、高层建筑外围的玻璃，可以将电能储存用于场所中的插头、照明、标语等。
以上的具体实施方式对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应当理解的是，以上仅为本发明的一种具体实施方式而已，并不限于本发明的保护范围，在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。凡在本发明的精神和原则之内的，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种透明压电能量收集装置，其特征在于，
包括在受到外部机械力作用时将机械能转变为电能的换能模块和收集所述换能模块产生的电能的集能模块；
所述换能模块包括：
透明且两侧表面具有透明电极的压电晶体；以及
通过有机膜分别粘接于所述压电晶体的外侧的玻璃层。
2.根据权利要求1所述的透明压电能量收集装置，其特征在于，
所述压电晶体的材料为PMNT或PIMNT单晶；
所述压电晶体的厚度方向为[001]晶向，并沿厚度方向极化。
3.根据权利要求1或2所述的透明压电能量收集装置，其特征在于，
所述有机膜为由PET膜、PET离型膜和介于它们之间的光学级PET基材通过压敏胶复合而成的PET复合膜；
所述有机膜通过所述压敏胶粘接所述压电晶体与所述玻璃层。
4.根据权利要求3所述的透明压电能量收集装置，其特征在于
所述压敏胶包括有机硅压敏胶和光学透明压敏胶。
5.根据权利要求1所述的透明压电能量收集装置，其特征在于，
所述玻璃层上沉积有导电涂层，所述导电涂层与所述压电晶体上的所述透明电极相导通，所述导电涂层将所述压电晶体产生的电能传输给所述集能模块。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的透明压电能量收集装置，其特征在于，
所述集能模块包括与所述透明电极连接的整流电路和储能单元。
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