CN115694259B - 复合取能装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合取能装置，包括高压极板、高压接地极板、感应极板、感应接地极板和压电组件，取能时将复合取能装置放置于高压电场环境，高压极板与高压接地极板之间产生电场，感应极板与感应接地极板构成电容器，收集电场产生的能量，高压电场环境中的高压极板与高压接地极板的微弱振动对传动件产生沿第一方向的压力，传动件能够将压力转换为沿第二方向并传输至压电件，压电件受到压力产生形变并产生电能。本装置通过将电场取能技术与压电式振动取能技术结合，能够高压电场环境中的振动能量加以利用，提高装置的取能效率，在微弱能量收集领域具有重要意义，能为低能耗微型设备提供能源，另外本装置结构简单、易于生产，能够降低生产成本。

Description

复合取能装置

技术领域

本发明涉及感应取能技术领域，特别是涉及一种复合取能装置。

背景技术

随着“碳达峰、碳中和”目标与以新能源为主体的新型电力系统的提出，供电方面也逐渐发展出更多样化的需求，传统的取能供电方式已经无法满足飞速增长的使用需求，电场取能技术作为研究热点，目前多采用感应高压电场取能的方式，其典型的取能原理是将一个不接地的感应极板布置于电场中，在电场作用下感应极板将感应电荷，设置后级电路可将感应极板的能量供给负载使用，此类电场取能方式虽结构简单，但取能功率一般较低，从而导致电路收集能量效率较低，如何提高取能功率亟待改进。

发明内容

基于此，有必要提供一种有效利用环境、提高取能效率的复合取能装置。

本发明提供了一种复合取能装置，所述复合取能装置包括：

高压极板；

高压接地极板，所述高压接地极板与所述高压极板沿第一方向间隔设置；

感应极板，所述感应极板设置在所述高压极板朝向所述高压接地极板的一侧，所述感应极板与所述高压极板之间设置有绝缘介质；

感应接地极板，所述感应接地极板与所述感应极板间隔设置，位于所述感应极板与所述高压接地极板之间，所述感应极板与所述感应接地极板构成电容器；

压电组件，所述压电组件连接在所述高压极板和所述高压接地极板之间，所述压电组件包括压电件和传动件，所述传动件将受到的沿所述第一方向的压力转换为沿第二方向的压力施加至所述压电件；

其中，所述传动件包括推杆和转向件，所述推杆设置有两个，两个所述推杆分别设置在所述高压极板和所述高压接地极板上，所述转向件设置在两个所述推杆之间并与所述压电件连接；所述转向件设置有弧形表面，两个所述推杆沿所述第一方向运动时对所述转向件的弧形表面产生推力，所述转向件能沿所述第二方向移动并对所述压电件产生压力，使所述压电件发生形变。

在其中一个实施例中，所述高压极板与所述高压接地极板形状相同且位置对应；和/或，所述感应极板与所述感应接地极板形状相同且位置对应。

在其中一个实施例中，所述高压极板和所述高压接地极板为圆盘型；和/或，所述感应极板和所述感应接地极板为圆盘型。

在其中一个实施例中，所述压电件为压电材料制成，所述压电件的两端分别连接在所述高压极板和所述高压接地极板上，所述压电件为板片状结构，和/或，所述压电件为杆状结构。

在其中一个实施例中，所述高压极板与所述高压接地极板平行。

在其中一个实施例中，所述高压极板与所述高压接地极板为金属极板，所述感应极板与所述感应接地极板为金属极板。

在其中一个实施例中，所述压电组件沿所述第一方向设置，垂直于所述高压极板与所述高压接地极板。

在其中一个实施例中，所述转向件配置为第二齿轮，所述推杆与所述转向件抵接的端部设置有第一齿轮。

在其中一个实施例中，所述压电组件设置有至少三组，在所述高压接地极板上呈三角状均匀设置。

在其中一个实施例中，所述压电组件设置有至少四组，沿所述高压接地极板的周向均匀设置。

本发明提供的上述复合取能装置，包括高压极板、高压接地极板、感应极板、感应接地极板和压电组件，取能时将复合取能装置放置于高压电场环境，高压极板与高压接地极板之间产生电场使得置于其中的感应极板上存在感应电荷，感应极板与感应接地极板构成电容器，收集电场产生的能量，本装置通过将电场取能技术与压电式振动取能技术结合，能够在具有微弱振动的高压电场环境中，通过传动件将高压极板与高压接地极板受到振动位移时对传动件产生的沿第一方向的压力转换为沿第二方向并传输至压电件，使压电件产生形变从而产生电能，既能将环境中振动能量加以利用，又能提高装置的取能效率，在微弱能量收集领域具有重要意义，能够为低能耗微型设备提供能源，另外本装置结构简单、易于生产，能够降低生产成本。

附图说明

图1为本申请一些实施例的复合取能装置的部分结构示意图；

图2为本申请一些实施例的压电组件的简化示意图；

图3为本申请一些实施例的复合取能装置的正视图。

附图标号：

1、高压极板；2、高压接地极板；3、感应极板；4、感应接地极板；5、压电组件；51、压电件；52、传动件；521、推杆；522、转向件；5221、第一齿轮；5222、第二齿轮。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“周向”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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，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；可以是机械连接，也可以是电连接；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，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”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参阅图1，图1示出了本申请一些实施例的复合取能装置的部分结构示意图。为便于观看，图1中只展示了一组压电组件5，隐去了其他压电组件5，在实际使用中，压电组件5的数量根据实际使用需求进行设置，例如图3即展示了在一些实施例中的完整的复合取能装置的正视图，包含四组压电组件5。

本申请提供了一种复合取能装置，包括高压极板1、高压接地极板2、感应极板3、感应接地极板4和压电组件5，高压极板1与高压接地极板2沿第一方向间隔设置，并产生高压电场；感应极板3设置在高压极板1朝向高压接地极板2的一侧，感应极板3与高压极板1之间设置有绝缘介质；感应接地极板4与感应极板3间隔设置，位于感应极板3与高压接地极板2之间，感应极板3与感应接地极板4构成电容器；压电组件5连接在高压极板1和高压接地极板2之间，压电组件5包括压电件51和传动件52，传动件52将受到的沿第一方向的压力转换为沿第二方向的压力施加至压电件51。

上述复合取能装置，沿第一方向间隔设置的高压极板1和高压接地极板2之间产生高压电场，感应极板3与高压极板1之间设置绝缘介质进行隔离，取能时将复合取能装置放置于高压电场环境，高压极板1与高压接地极板2之间产生电场使得置于其中的感应极板3上存在感应电荷，感应极板3与感应接地极板4构成电容器，收集电场产生的能量，高压电场环境中的高压极板1与高压接地极板2的微弱振动对传动件52产生沿第一方向的压力，传动件52能够将压力转换为沿第二方向并传输至压电件51，压电件51受到压力产生形变并产生电能。本装置通过将电场取能技术与压电式振动取能技术结合，能够在具有微弱振动的电场环境中，通过传动件52将高压极板1与高压接地极板2受到振动位移时对传动件52产生的压力传输至压电件51，使压电件51产生形变从而产生电能，且压电件51受到振动位移的挤压也会产生形变，本复合取能装置既能将环境中振动能量加以利用，又能提高装置的取能效率，在微弱能量收集领域具有重要意义，能够为低能耗微型设备提供能源，另外本装置结构简单、易于生产，能够降低生产成本。

在一些具体实施方式中，高压极板1与高压接地极板2沿第一方向间隔设置，高压极板1与高压接地极板2平行，二者相互结合产生均匀电场。具体地，高压极板1与高压接地极板2形状相同且位置对应。

如前所述，高压极板1与高压接地极板2沿第一方向间隔设置，因此，第一方向为垂直于高压极板1与高压接地极板2的方向。

在一些具体实施方式中，高压极板1与高压接地极板2为金属极板，电场大小通过金属极板的施加电压幅值和极板之间的距离进行调整。在一些具体实施方式中，高压极板1和高压接地极板2采用以铝为主体的材料。

感应极板3设置在高压极板1朝向高压接地极板2的一侧，感应极板3与高压极板1平行设置，感应极板3与高压极板1之间设置有绝缘介质。优选地，高压极板1和感应极板3间采用电介质隔离。为进一步提高从高压电场中能量获取的取能效率，与传统电场耦合装置相比，本申请减小了感应极板3与高压极板1的距离，进一步增加了电场取能效率。

感应接地极板4与感应极板3间隔设置，感应极板3与感应接地极板4位于感应极板3与高压接地极板2之间。具体地，感应极板3与感应接地极板4平行设置，感应极板3与感应接地极相互结合产生电场耦合，构成电容器，用于存储电能，后续可通过后级电路设计将电能输出。具体地，感应极板3与感应接地极板4形状相同且位置对应，感应极板3与感应接地极板4的形状和面积小于高压极板1与高压接地极板2的形状和面积。

在一些具体实施方式中，感应极板3与感应接地极板4为金属极板。具体地，感应极板3与感应接地极板4采用以铝为主体的材料。

在一些具体实施方式中，高压极板1和高压接地极板2为圆盘型。在一些具体实施方式中，感应极板3和感应接地极板4为圆盘型，且感应极板3与感应接地极板4的直径小于高压极板1和高压接地极板2。圆盘型的极板结构简单、易于制作，高压极板1与高压极板1形状相同且位置对应，感应极板3与感应接地极板4形状相同且位置对应。

继续参阅图1，压电组件5连接在高压极板1和高压接地极板2之间，压电组件5包括压电件51和传动件52，传动件52将受到的沿第一方向的压力转换为沿第二方向的压力施加至压电件51。当高压环境中发生振动，高压极板1与高压接地极板2受到振动发生位移，压电组件5用于将振动转换为电能，经过后级电路处理可将电场耦合取能和振动取能两部分获取的能量进行复合输出，提升取能功率。

在一些具体实施方式中，压电组件5沿第一方向设置，垂直于高压极板1与高压接地极板2。在一些具体实施方式中，第二方向为与第一方向相交角度大于0度的方向。优选地，第二方向垂直于第一方向，从而垂直于压电件51，使压电件51受到垂直压力，提高振动向电能转化的机电转化效率。

在一些具体实施方式中，压电件51为压电材料制成。在一些具体实施方式中，压电件51为具有压电材料层的部件。具体地，压电材料选用乳液聚合法制备的聚偏氟乙烯(PVDF)，也可以是其他高性能的复合压电材料。

压电材料在某一特定方向受到力时，材料会发生形变导致其内部产生极化现象，并在其表面产生等量异号的极化电荷，因而将振动能量转换为电能。

由于压电材料本身具有韧性，当高压环境中发生振动，高压极板1与高压接地极板2受到振动发生位移时，在传动件52将力转向并传输至压电件51使之发生形变产生电能的同时，压电件51自身也会受到高压极板1与高压接地极板2的挤压而发生轻微形变产生电能。

在一些具体实施方式中，压电件51的两端分别连接在高压极板1和高压接地极板2上，压电件51为板片状结构或杆状结构。当压电件51受到传动件52将沿第一方向的力转换为沿第二方向的力时，板片状或杆状的压电件51更容易发生形变，对振动更加灵敏，能够更加高效地收集能量。

结合参阅图1和图2，图2示出了本申请一些实施例的压电组件5的简化示意图。

在一些具体实施方式中，传动件52包括推杆521和转向件522。推杆521和转向件522用于将沿第一方向的压力转换为沿第二方向的压力施加至压电件51。

在一些具体实施方式中，推杆521设置有两个，两个推杆521分别设置在高压极板1和高压接地极板2上，转向件522设置在两个推杆521之间并与压电件51连接。具体地，推杆521固定设置在高压极板1与高压接地极板2上，且推杆521为刚性材料制成。当高压环境中存在振动时，复合取能装置也随之振动，由于压电材料本身具有良好的韧性和较大的机械强度，高压极板1与高压接地极板2会发生振动位移，推杆521随之发生第一方向上的相对位移，将设置在两个推杆521之间的转向件522推动从而挤压压电件51产生电能。

参阅图2，在一些具体实施方式中，转向件522设置有弧形表面，两个推杆521沿第一方向运动时对转向件522的弧形表面产生推力，转向件522能沿第二方向移动并对压电件51产生压力，使压电件51发生形变产生电能。图中示出的为一种较为基础的转向结构，转向件522还可以选用其他能够将第一方向的力转换为第二方向的力的结构。

在一些具体实施方式中，转向件522配置为第二齿轮5222，推杆521与转向件522抵接的端部设置有第一齿轮5221。高压极板1和高压接地极板2通过推杆521使第一齿轮5221推动第二齿轮5222，使得力的方向由沿第一方向转换为沿第二方向，压电件51由于受到与之相连的第二齿轮5222推动，受到力的作用而产生形变，根据压电效应，将振动能转化为电能。

具体地，第一齿轮5221、第二齿轮5222和推杆521均由钢材制成。

在一些具体实施方式中，压电组件5设置有至少三组，在高压接地极板2上呈三角状均匀设置。本复合取能装置的外形在整体上呈柱型，压电组件5设置在高压极板1与高压接地极板2之间，压电组件5至少设置三组，且呈现三角状均匀设置，能够提升结构的稳固性。在一些具体实施方式中，可设置多组压电组件5，使复合取能装置的结构更加稳固的同时，能够增加振动取能获取的能量，进一步增加本复合取能装置的取能效率及功率输出。

参阅图3，图3示出了本申请一些实施例的复合取能装置的正视图。

在一些具体实施方式中，当高压极板1、高压接地极板2为圆盘形时，压电组件5设置有至少四组，沿高压接地极板2的周向均匀设置。能够起到稳定的支撑作用，同时，能够避免由于支撑在高压极板1和高压接地极板2之间的压电组件5过多导致高压环境中微弱振动带来的振动位移过小，取能效率反而下降，达到支撑与取能之间平衡、高效的状态。

本发明提供的上述复合取能装置，沿第一方向间隔设置的高压极板1和高压接地极板2之间产生高压电场，感应极板3与高压极板1之间设置绝缘介质进行隔离，取能时将复合取能装置放置于高压电场环境，高压极板1与高压接地极板2之间产生电场使得置于其中的感应极板3上存在感应电荷，感应极板3与感应接地极板4构成电容器，收集电场产生的能量，高压电场环境中的高压极板1与高压接地极板2的微弱振动对传动件52产生沿第一方向的压力，传动件52能够将压力转换为沿第二方向并传输至压电件51，压电件51受到压力产生形变并产生电能，经过后级电路处理可将电场耦合取能和振动取能两部分获取的能量进行复合输出，提升取能功率。

本发明一方面利用电场耦合技术通过两个平行的金属极板产生均匀电场来从高压环境中获取电能，另一方面利用压电效应把环境中微弱的振动能转换为电能输出，通过将电场取能技术与压电式振动取能技术结合，能够在具有微弱振动的电场环境中，通过传动件52将高压极板1与高压接地极板2受到振动位移时对传动件52产生的压力传输至压电件51，使压电件51产生形变从而产生电能，且压电件51受到振动位移的挤压也会产生形变，本复合取能装置既能将环境中振动能量加以利用，又能提高装置的取能效率，在微弱能量收集领域具有重要意义，能够为低能耗微型设备提供能源，另外本装置结构简单、易于生产，能够降低生产成本，且稳定性高、取能效果好，弥补了传统技术中取能装置复杂、取能效率低等问题。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种复合取能装置，其特征在于，包括：

高压极板；以及

高压接地极板，所述高压接地极板与所述高压极板沿第一方向间隔设置；

感应极板，所述感应极板设置在所述高压极板朝向所述高压接地极板的一侧，所述感应极板与所述高压极板之间设置有绝缘介质；

感应接地极板，所述感应接地极板与所述感应极板间隔设置，位于所述感应极板与所述高压接地极板之间，所述感应极板与所述感应接地极板构成电容器；

压电组件，所述压电组件连接在所述高压极板和所述高压接地极板之间，所述压电组件包括压电件和传动件，所述传动件将受到的沿所述第一方向的压力转换为沿第二方向的压力施加至所述压电件；

其中，所述传动件包括推杆和转向件，所述推杆设置有两个，两个所述推杆分别设置在所述高压极板和所述高压接地极板上，所述转向件设置在两个所述推杆之间并与所述压电件连接；所述转向件设置有弧形表面，两个所述推杆沿所述第一方向运动时对所述转向件的弧形表面产生推力，所述转向件能沿所述第二方向移动并对所述压电件产生压力，使所述压电件发生形变。

2.根据权利要求1所述的复合取能装置，其特征在于，所述高压极板与所述高压接地极板形状相同且位置对应；

和/或，所述感应极板与所述感应接地极板形状相同且位置对应。

3.根据权利要求2所述的复合取能装置，其特征在于，所述高压极板和所述高压接地极板为圆盘型；

和/或，所述感应极板和所述感应接地极板为圆盘型。

4.根据权利要求1所述的复合取能装置，其特征在于，所述压电件为压电材料制成，所述压电件的两端分别连接在所述高压极板和所述高压接地极板上，所述压电件为板片状结构，和/或，所述压电件为杆状结构。

5.根据权利要求1所述的复合取能装置，其特征在于，所述高压极板与所述高压接地极板平行。

6.根据权利要求1所述的复合取能装置，其特征在于，所述高压极板与所述高压接地极板为金属极板，所述感应极板与所述感应接地极板为金属极板。

7.根据权利要求1所述的复合取能装置，其特征在于，所述压电组件沿所述第一方向设置，垂直于所述高压极板与所述高压接地极板。

8.根据权利要求1所述的复合取能装置，其特征在于，所述转向件配置为第二齿轮，所述推杆与所述转向件抵接的端部设置有第一齿轮。

9.根据权利要求1所述的复合取能装置，其特征在于，所述压电组件设置有至少三组，在所述高压接地极板上呈三角状均匀设置。

10.根据权利要求9所述的复合取能装置，其特征在于，所述压电组件设置有至少四组，沿所述高压接地极板的周向均匀设置。