CN113300633B - 压电能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电能量收集装置，压电能量收集装置中，第一单晶电极固定于所述基底，第二单晶电极固定于所述基底，所述第一单晶电极和第二单晶电极对称布置且相距预定间隔，桥式力传导结构架设于所述第一单晶电极和第二单晶电极上，配重装置固定于所述桥式力传导结构的桥顶位置。
Description
技术领域
本发明涉及压电能量收集技术领域，尤其涉及一种压电能量收集装置。
背景技术
现有电网监测系统中，在线监测设备取能主要采用“储能元件+太阳能板”或直接从输电线路获取电能的方式实现供电。由于在线监测设备运行环境的特殊性，取能一般是间歇性的，再通过蓄电池等储能部件转化为持续的电能供给。但，对于太阳能取能方式，不可避免的低日照辐射强度、太阳能电池板表面积灰、太阳能电池板覆冰雪、太阳能电池板面积限制等一系列因素制约着设备的使用效率；对于典型的输电线路取能方式：静电场感应取能因为受材料及工艺限制而取能效率有限，取能装置体积较大，且架空线路地线绝缘子容易放电而应用受限；地线电磁感应取能因为感应电流较小，取能功率有限1W以下而应用不广。另外，近些年提出的TENG供能方式等新兴技术仍处于实验室阶段，短期内难以投入使用。
压电能量采集器可以从环境中获取能量，然而，现广泛研究应用的悬臂梁结构压电陶瓷制成的能量收集装置体积较大，输出功率密度低。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种压电能量收集装置，旨在解决现有悬臂梁结构压电陶瓷能量收集装置体积大，输出功率密度低的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的一种压电能量收集装置包括，
基底，
第一单晶电极，其固定于所述基底，
第二单晶电极，其固定于所述基底，所述第一单晶电极和第二单晶电极对称布置且相距预定间隔，
桥式力传导结构，其架设于所述第一单晶电极和第二单晶电极上，
配重装置，其固定于所述桥式力传导结构的桥顶位置。
所述的一种压电能量收集装置中，所述第一单晶电极为第一PIN-PMN-PT单晶电极，第二单晶电极为第二PIN-PMN-PT单晶电极。
所述的一种压电能量收集装置中，第一PIN-PMN-PT单晶电极和第二PIN-PMN-PT单晶电极均为[001]方向生长的PIN-PMN-PT单晶电极。
所述的一种压电能量收集装置中，所述第一PIN-PMN-PT单晶电极固定于所述基底的一端，第一PIN-PMN-PT单晶电极设有第一电流输出引线；所述第一电流输出引线连接整流电路；所述第二PIN-PMN-PT单晶电极固定于所述基底的另一端，第二PIN-PMN-PT单晶电极设有第二电流输出引线，所述第二电流输出引线连接所述整流电路。
所述的一种压电能量收集装置中，所述第一PIN-PMN-PT单晶电极和第二PIN-PMN-PT单晶电极相对于所述基底的中线对称布置。
所述的一种压电能量收集装置中，所述基底为中心对称结构，所述第一PIN-PMN-PT单晶电极和第二PIN-PMN-PT单晶电极相对于所述基底的中心轴线对称布置且相距预定间隔。
所述的一种压电能量收集装置中，所述桥式力传导结构具有悬空于所述基底上方的桥拱部。
所述的一种压电能量收集装置中，所述桥拱部包括，
桥顶段，
第一桥拱段，其自所述桥顶段倾斜向下朝所述第一单晶电极顶表面延伸，
第二桥拱段，其自所述桥顶段倾斜向下朝所述第二单晶电极顶表面延伸。
所述的一种压电能量收集装置中，所述第一桥拱段包括覆盖所述第一单晶电极顶表面的第一覆盖段，所述第二桥拱段包括覆盖所述第二单晶电极顶表面的第二覆盖段。
所述的一种压电能量收集装置中，所述第一桥拱段和第二桥拱段相对于所述桥顶段对称，第一覆盖段覆盖第一PIN-PMN-PT单晶电极顶表面，第二覆盖段覆盖第二PIN-PMN-PT单晶电极顶表面。
在上述技术方案中，本发明提供的一种压电能量收集装置，具有以下有益效果：其利用的以[001]方向生长的PIN-PMN-PT单晶在收集振动能量时采用独特的桥式力传导结构，使在拥有相同的输出功率时装置的尺寸较悬臂梁结构压电陶瓷能量收集装置大大减小，解决了普通压电能量收集装置功率密度低的问题，并通过优选的桥式力传导结构材料使装置的工作频率在100Hz附近，从而更好地匹配电力系统中振动能量的频率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是压电能量收集装置的结构示意图；
图2是压电能量收集装置输出对于振动信号频率的响应特性图；
图3是压电能量收集装置的在工作频率下通过集成能量收集器模块LTC3588-1后接2mF铝电解电容器充电时电容器两端电压与工作时间的关系曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图图1至图3，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
在一个实施例中，如图1所示，压电能量收集装置包括，
基底1，
第一单晶电极2-1，其固定于所述基底1，
第二单晶电极2-2，其固定于所述基底1，所述第一单晶电极2-1和第二单晶电极2-2对称布置且相距预定间隔，
桥式力传导结构3，其架设于所述第一单晶电极2-1和第二单晶电极2-2上，
配重装置4，其固定于所述桥式力传导结构3的桥顶位置。
所述的一种压电能量收集装置的优选实施例中，所述第一单晶电极2-1为第一PIN-PMN-PT单晶电极，第二单晶电极2-2为第二PIN-PMN-PT单晶电极。PIN-PMN-PT单晶是一种性能优异的压电材料，工作机理为正压电效应。以[001]方向生长的所述单晶在受到外力时产生形变，进而产生电势差，通过外电路形成电流。PIN-PMN-PT单晶具有输出电压高，功率密度高，对形变响应灵敏的特点。以PIN-PMN-PT单晶为核心材料制成的压电能量收集装置结构简单，体积小巧，带负载能力强。
所述的一种压电能量收集装置的优选实施例中，第一PIN-PMN-PT单晶电极和第二PIN-PMN-PT单晶电极均为[001]方向生长的PIN-PMN-PT单晶电极。
所述的一种压电能量收集装置的优选实施例中，所述第一PIN-PMN-PT单晶电极固定于所述基底1的一端，第一PIN-PMN-PT单晶电极设有第一电流输出引线5-1；所述第一电流输出引线5-1连接整流电路；所述第二PIN-PMN-PT单晶电极固定于所述基底1的另一端，第二PIN-PMN-PT单晶电极设有第二电流输出引线5-2，所述第二电流输出引线5-2连接所述整流电路。
所述的一种压电能量收集装置的优选实施例中，所述第一PIN-PMN-PT单晶电极和第二PIN-PMN-PT单晶电极相对于所述基底1的中线对称布置。
所述的一种压电能量收集装置的优选实施例中，所述基底1为中心对称结构，所述第一PIN-PMN-PT单晶电极和第二PIN-PMN-PT单晶电极相对于所述基底1的中心轴线对称布置且相距预定间隔。
所述的一种压电能量收集装置的优选实施例中，所述桥式力传导结构3具有悬空于所述基底1上方的桥拱部。
所述的一种压电能量收集装置的优选实施例中，所述桥拱部包括，
桥顶段6，
第一桥拱段6-1，其自所述桥顶段6倾斜向下朝所述第一单晶电极2-1顶表面延伸，
第二桥拱段6-2，其自所述桥顶段6倾斜向下朝所述第二单晶电极2-2顶表面延伸。
所述的一种压电能量收集装置的优选实施例中，所述第一桥拱段6-1包括覆盖所述第一单晶电极2-1顶表面的第一覆盖段，所述第二桥拱段6-2包括覆盖所述第二单晶电极2-2顶表面的第二覆盖段。
所述的一种压电能量收集装置的优选实施例中，所述第一桥拱段6-1和第二桥拱段6-2相对于所述桥顶段6对称，第一覆盖段覆盖第一PIN-PMN-PT单晶电极顶表面，第二覆盖段覆盖第二PIN-PMN-PT单晶电极顶表面。
所述的一种压电能量收集装置的优选实施例中，压电能量收集装置包括：
基底1；
以一定间距粘附固定在所述基底1上表面的两片PIN-PMN-PT单晶电极；
两端下表面分别粘附固定在所述单晶电极上表面的桥式力传导结构3，所述结构左右对称，两端下表面与所述单晶电极面积相同，紧密贴合；
紧密粘附固定在所述桥式力传导结构3上表面的配重装置4；
所述两片单晶电极分别具有对应的电流输出引线；
所述引线连接后端整流电路，经所述整流电路整流后为一个超级电容器充电。在本实施例中，所述配重装置4在装置振动时带动所述力传导结构3形变，进而给所述单晶电极以横向剪切力，在剪切力的作用下所述单晶电极亦产生剪切形变，进而产生电势差，经由所述电流输出引线为所述电容器充电，以供给后端传感器使用。
优选的，所述单晶电极单片尺寸规格为20×20×1mm3，该尺寸可以提供理想的电流输出。
优选的，所述桥式力传导结构3材料选用杨氏模量为2370～2650Mpa，泊松比为0.41的PP树脂。在本实施例所述尺寸下，所述材料使得装置共振频率在100Hz附近取得，从而更好地匹配电力系统中振动能量的频率。
进一步的，所述基底1为1mm厚度片材。在所述基底1上固定承载了上表面由所述桥式力传导结构3连接的所述单晶电极与电流输出引线。所述基底1大小与装置匹配。基底1将单晶电极下表面固定，使得所述单晶电极下表面保持相对静止，同时作为连接部分与电力设备相连，保护所述单晶电极不受磨损。
所述基底1可以实现装置固定，保护电极，传导振动的作用，可以采用亚克力等轻便，具有一定机械强度的有机玻璃材料。
进一步的，所述单晶电极以收集装置中线严格对称，两片电极间保证严格绝缘。
优选的，所述单晶电极的预定间隔为三倍电极边长。
优选的，所述超级电容器采用2mF铝电解电容器。由于用于后端传感器供电要求储能电容器容量大，能量密度高，寿命长，使用稳定，若采用薄膜电容器将会面临容量随时间变化大，电容器性能劣化快等问题。因此采用铝电解电容器器可以使装置获得最大使用寿命与可靠性。
在一个实施例中，电流输出引线连接后端整流电路，经所述整流电路整流后为一个超级电容器充电。
在一个实施例中，所采用的PIN-PMN-PT单晶电极为以[001]方向生长的并工作于[011]方向的，尺寸为5×5×1mm3至30×30×1mm3；所述压电单晶电极装配至装置中后间距为2倍单晶电极边长至4倍单晶电极边长，以装置中线严格对称。
在一个实施例中，所述桥式力传导结构下表面面积与所述单晶电极相同，紧密粘附在所述单晶电极上表面，桥高1mm至5mm，根据不同工作频率的需要调整不同的桥高，以本结构为基础所涉及的产品工作频率可调整区间为100～2000Hz。
在一个实施例中，所述桥式力传导结构的桥面上方紧密粘附配重装置，配重装置尺寸以及所选材质根据实际需要进行选定。材质包括但不限于铁磁性金属、非铁磁性金属、铁磁性非金属化合物、非铁磁性非金属化合物，以本结构为基础所涉及的产品可以进行振动能、磁能、电场能的单独或耦合收集。
在一个实施例中，基底的材质选择绝缘性能良好，具有一定强度与硬度的板型材料，其尺寸应根据压电单晶等其余结构确定。
在一个实施例中，压电能量收集装置包括亚克力基底1，在亚克力基底1上以整个装置的中线严格对称地粘附固定着两片PIN-PMN-PT单晶电极2-1与2-2，在单晶电极下方分别有电流输出引线5-1与5-2，两者直接与整流电路相连。在单晶电极上方粘附固定着桥式力传导结构3，在桥式力传导结构3的桥顶位置固定着配重装置4。
为了避免环境侵蚀加速材料老化，可以在上述部件及整流电路和后端应用外设置保护外壳予以封装。
在本实施例中，通过采用独特的以[001]方向生长的PIN-PMN-PT单晶电极以及桥式力传导结构，使所收集的环境中的振动能量转化为剪切力，使单晶电极发生剪切形变并产生电能，实现了环境中振动能量向电能的收集转化。同时，剪切形变取代了传统的悬臂梁式压电结构，缩小了装置尺寸，增大了空间利用率与能量密度。
在现有技术中的悬臂梁式压电结构为振动所需预留的空间大，根据其收集的振动能量频率不同，装置的尺寸大小也有所不同。本实施例中采用了桥式力传导结构收集振动能量转化为剪切力，其所需的预留空间小，通过改变配重即可改变其收集的振动能量的频率范围，空间利用率更高，灵活性更强，更加降低了制造成本和空间成本。
为了使本发明压电能量收集装置同时具有较理想的电压输出与电流输出，本实施例中单晶尺寸规格选择为20×20×1mm3，两单晶电极间距为三倍单晶电极边长即60mm；桥式力传导结构的桥高为4mm，厚度为1mm，在此尺寸下整个系统的工作频率基本稳定在100Hz。
基底的尺寸应与装置相匹配，本实例中所采用的一种可能的尺寸为20×100×1.5mm3。本压电能量收集装置的基底材料应选择具有良好的强度与韧性，可以良好地传导振动能量，以起到对单晶电极的保护作用且保证该压电能量收集装置不会因为基底吸收过多的振动能量而导致装置的输出密度下降，造成能量收集效率低下甚至装置失效。配重装置的尺寸与材料的选择基于工作频率，本实施例中采用的是20×20×20mm3的黄铜块。
两单晶电极的放置应严格对称，一面由于剪切形变方向偏差导致能量浪费，输出降低。优选的，单晶电极间距为三倍电极边长，经COMSOL多物理场仿真发现配合前述规格的桥式力传导结构该间距可以获得最大输出。
整流电路可以选择基本桥式整流电路，桥式整流芯片DB101，集成能量收集器模块LTC3588-1等。若对输出的直流纹波系数没有较高的要求，可以选择使用基本桥式整流电路或者桥式整流芯片DB101。本实施例中采用了整体性能更好的集成能量收集器模块LTC3588-1。LTC3588-1是一款超低静态电流电源，该器件直接接至连接于压电单晶上的电流输出引线，即可对电压波形进行校正并输出直流电压以将电能储存于一个外部电容器上。其内部具有的并联稳压器可以泄放任何多余的功率并借助一个毫微功率高效降压型稳压器保持输出电压。
所述集成能量收集器模块LTC3588-1输出端后接电容值为2mF的铝电解电容器，其优势在于铝电解电容器单位体积所拥有的电容量极大，且电压越低此特点越突出。本装置所预计的负载应用电压属于低压范畴，采用铝电解电容器有利于进一步减小装置尺寸，提高空间利用率；其次，铝电解电容器具有“自愈”特性，铝电解电容器的介质氧化膜的疵点或缺陷在电容器工作过程中随时可以得到修复，恢复其应具有的绝缘能力，避免招致电介质的雪崩式击穿，可以有效提升装置寿命以及运行稳定性。
图2和图3为本发明压电能量收集装置实施例的两个具体测试实例。其中，图2为在不同的振动频率下装置输出功率的频率响应曲线示意图，其中峰值出现在100Hz至100.5Hz之间，由于该频率为装置的第三级共振频率，故桥式力传导结构3在该频率下可以取得最大的形变量，进而造成所述压电单晶电极取得最大形变量，系统获得最大输出；图3为系统工作于100Hz至100.5Hz之间即本实施例所采用的工作频率下时，经过LTC3588-1集成能量收集器模块处理后为后端所接2mF铝电解电容器充电时电容器两端的电压曲线，曲线显示在未接后端应用的情况下将本实例所述装置将2mF铝电解电容器两端电压抬升至2.5V(稳定值)所需要的时间为150s。
图2表明，装置在工作频率即装置的共振频率附近时所取得的输出功率较其他频率具有显著的提升，说明本发明一种压电能量收集装置对于振动频率具有较强的敏感性，作为能源供给后端应用时应尽可能的布设在振动频率稳定的电力设备或电力线路中；若作为一种异常震动监控报警设施，应调整装置工作频率至某一个合适的值，并设置同时放置若干不同工作频率的本装置，以获得一定的报警频率梯度，确保对于设备振动频率的异常突升或突降起到良好的监控与示警作用。
图3表明，装置在工作频率即装置的共振频率附近工作时，通过集成能量收集器模块LTC3588-1为2mF铝电解电容器充电的初次速度较快；若后端应用的功率不太高，不至于开机一次即消耗尽铝电解电容器内所积累的全部电能，在进入稳定工作状态后，可以预见到从电能释放至再次充满所需的时间间隔将更短，这意味着对于电力系统平均15分钟采集一次信号的情况而言，本发明所述压电能量收集装置所能供给的后端应用开机频率足以满足实际需求。
本领域普通技术人员可以理解：本发明所述压电能量收集装置作为能源应用于电力系统中监测系统的无源供电时，所带后端应用一般为支持蓝牙等无线传输功能的位移、温度、电磁等传感器，传感器及无线通讯模块可以由一块低功耗单片机控制，通过合适的低功耗算法可以使得后端应用模块的功耗降至很低的水平，本发明所述压电能量收集装置可以拥有很强的带负载能力。；若利用本发明压电能量收集装置作为一种异常震动监测示警装置，应通过改变所述桥式力传导结构桥高、材料以及配重装置重量等方法设置其共振频率，在电力设备发生异常震动时，振动频率达到装置的共振频率时，输出功率将急剧上升，输出预警电信号。同时应按照一定梯度设置一系列本发明所述装置，以得到准确可靠的预警信息。
最后应该说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
Claims (8)
1.一种压电能量收集装置，其特征在于，其包括，
基底，
第一单晶电极，其固定于所述基底，
第二单晶电极，其固定于所述基底，所述第一单晶电极和第二单晶电极对称布置且相距预定间隔，
桥式力传导结构，其架设于所述第一单晶电极和第二单晶电极上，
配重装置，其固定于所述桥式力传导结构的桥顶位置，所述第一单晶电极为第一PIN-PMN-PT单晶电极，第二单晶电极为第二PIN-PMN-PT单晶电极，第一PIN-PMN-PT单晶电极和第二PIN-PMN-PT单晶电极均为[001]方向生长的PIN-PMN-PT单晶电极，所述第一单晶电极和第二单晶电极装配至装置中后，间距为2倍单晶电极边长至4倍单晶电极边长。
2.根据权利要求1所述的一种压电能量收集装置，其特征在于，所述第一PIN-PMN-PT单晶电极固定于所述基底的一端，第一PIN-PMN-PT单晶电极设有第一电流输出引线；所述第一电流输出引线连接整流电路；所述第二PIN-PMN-PT单晶电极固定于所述基底的另一端，第二PIN-PMN-PT单晶电极设有第二电流输出引线，所述第二电流输出引线连接所述整流电路。
3.根据权利要求1所述的一种压电能量收集装置，其特征在于，所述第一PIN-PMN-PT单晶电极和第二PIN-PMN-PT单晶电极相对于所述基底的中线对称布置。
4.根据权利要求1所述的一种压电能量收集装置，其特征在于，所述基底为中心对称结构，所述第一PIN-PMN-PT单晶电极和第二PIN-PMN-PT单晶电极相对于所述基底的中心轴线对称布置且相距预定间隔。
5.根据权利要求1所述的一种压电能量收集装置，其特征在于，所述桥式力传导结构具有悬空于所述基底上方的桥拱部。
6.根据权利要求5所述的一种压电能量收集装置，其特征在于，所述桥拱部包括，
桥顶段，
第一桥拱段，其自所述桥顶段倾斜向下朝所述第一单晶电极顶表面延伸，
第二桥拱段，其自所述桥顶段倾斜向下朝所述第二单晶电极顶表面延伸。
7.根据权利要求6所述的一种压电能量收集装置，其特征在于，所述第一桥拱段包括覆盖所述第一单晶电极顶表面的第一覆盖段，所述第二桥拱段包括覆盖所述第二单晶电极顶表面的第二覆盖段。
8.根据权利要求7所述的一种压电能量收集装置，其特征在于，所述第一桥拱段和第二桥拱段相对于所述桥顶段对称，第一覆盖段覆盖第一PIN-PMN-PT单晶电极顶表面，第二覆盖段覆盖第二PIN-PMN-PT单晶电极顶表面。
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