CN116470791A - 一种收集多种环境能的旋转压电电磁能量收集器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种收集多种环境能的旋转压电电磁能量收集器及其制备方法，包括外壳体和位于所述外壳体外部的扇叶，所述扇叶通过旋转轴与所述外壳体的顶板转动连接，所述旋转轴一端伸入所述外壳体内部并连接有磁铁；所述外壳体内设置有压电悬臂梁和电磁感应线圈；所述旋转轴旋转时带动磁铁旋转，电磁感应线圈切割磁铁的磁感线产生感应电流；所述外壳体内设置有能量收集模块；压电悬臂梁和电磁感应线圈均与能量收集模块电连接。本发明可以提高能量收集器的输出功率，能收集多种环境能，可在更多种更复杂环境下为微小电子设备提供能量。
Description
技术领域
本发明属于能量收集领域，涉及一种收集多种环境能的旋转压电电磁能量收集器及其制备方法。
背景技术
物联网的快速发展，极大地促进了无线传感器和微电子系统的发展，对这些设备的需求正在增加。许多低功率设备需要在恶劣环境或偏远地区工作，一方面传统电池存在占用空间大、寿命短、污染性强等问题，另一方面无线传感网络节点布置数量多、位置分布广，这使得频繁地手动更换电池极为困难，由此限制了它们的实际服役时间。如果能够有效地从周围环境中获取能量，这个问题就可以在未来的研究中得到解决。电子设备从周围的环境中获取可用的能量将是替代传统电池作为电源的更好的方案。
环境中可用于能量收集技术的能源可以分为四大类：太阳能、热能、电磁辐射能和动能。太阳能是环境中最常见的能量并且可以通过光伏单元转换为电能。但太阳能的收集常常受到时间、天气、方位等其他因素的影响。存在于环境中的热能分布梯度通常较小，输出一般在10μW/cm2至1mW/cm2之间。电磁辐射因为目前无线通讯的广泛应用而受到越来越多的关注，不足之处是这种能量收集器的功率密度受到信号源功率和距离的制约。相较于上述三种能源，环境动能(振动能、风能等)是一种存在广、制约少、易获取的能量。振动能和风能可以通过静电、电磁、压电等机理转化成电能，对应的平均功率密度分别为4mJ/cm3、24.8mJ/cm3和35.4mJ/cm3。常用的振动能量收集器包括压电、电磁、静电和摩擦电能量收集器。其中，压电能量收集器具有结构简单、输出电压高、能量密度高的优点，而电磁能量收集器具有结构简单、输出电流高、能量收集效率高等优点，这两者都得到了广泛的研究。相较于利用其他两种机理的振动能量收集器，旋转风能收集器具有显著的有效能量收集潜力。
但是，传统结构中较为单一的振动能量收集方式，普遍存在功率较低，或是实用性不强，或是适用的频率带宽窄。而当前的风能发电机，体积大，在无风时无法收集能量，稳定性不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种收集多种环境能的旋转压电电磁能量收集器及其制备方法，提高能量收集器的输出功率，能收集多种环境能，可在更多种更复杂环境下为微小电子设备提供能量。
本发明通过以下技术方案实现：
一种收集多种环境能的旋转压电电磁能量收集器，包括外壳体和位于所述外壳体外部的扇叶，所述扇叶通过旋转轴与所述外壳体的顶板转动连接，所述旋转轴一端伸入所述外壳体内部并连接有磁铁；
所述外壳体内设置有压电悬臂梁和电磁感应线圈；所述旋转轴旋转时带动磁铁旋转，电磁感应线圈切割磁铁的磁感线产生感应电流；
所述外壳体内设置有能量收集模块；压电悬臂梁和电磁感应线圈均与能量收集模块电连接。
优选的，所述外壳体内设置有储能模块，能量收集模块与储能模块电连接。
优选的，所述旋转轴一端伸入所述外壳体内部并连接有支架，所述支架上连接有若干个磁铁。
进一步的，所述支架为横杆，所述横杆的两端分别连接有磁铁，两块磁铁关于旋转轴对称布置。
优选的，所述压电悬臂梁包括压电层、基板和质量块，压电层粘结在基板上，质量块连接在基板的悬臂端。
进一步的，所述压电悬臂梁设置两个，两个压电悬臂梁关于旋转轴对称布置；在所述能量收集工作平台上关于压电悬臂梁轴线对称布置电磁感应线圈，各电磁感应线圈位于磁铁的外围，各电磁感应线圈串联连接后与能量收集模块电连接。
进一步的，所述压电层包括一层P(VDF-TrFE)薄膜，所述P(VDF-TrFE)薄膜两面上各设置有一层通过离子溅射法喷金形成的金电极，所述金电极上设置有聚酰亚胺层。
进一步的，所述质量块为铷磁铁。
优选的，所述能量收集模块包括LTC3588芯片。
所述的收集多种环境能的旋转压电电磁能量收集器的制备方法，包括以下步骤：
通过仿真软件优化压电悬臂梁和电磁感应线圈的设计参数；
根据压电悬臂梁和电磁感应线圈的设计参数分别制备压电悬臂梁和电磁感应线圈；
将压电悬臂梁和电磁感应线圈分别连接能量收集模块。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明是一种基于风能旋转的复合能量收集装置，旨在利用微弱风能，结合压电振动能量收集与电磁感应，实现复合能量收集的功能，提高能量收集器的输出功率，为复杂环境下的无线传感节点进行供电。相比于当前的风能发电机，本产品体积更小，在无风时通过振动收集能量，并加入磁铁，得到更宽频上的压电能量收集。当有阵风或低速风刮过时，风会带动扇叶旋转使得磁铁同步旋转，一方面通过磁力作用带动压电悬臂梁发生振动，将振动能转为电能储存；另一方面旋转磁铁使电磁感应线圈切割磁感线产生感应电流，收集模式变为压电-电磁能量收集，相较于传统的压电电磁能量收集，加入风能具有更优的输出，相较于传统的风能发电机仅用风能发电，本产品可在更多种更复杂环境下为微小电子设备提供能量。
进一步的，相对于单磁铁旋转，双磁铁对称分布可以减小其对扇叶旋转的影响。此外，由于双磁铁缩短了磁铁间作用周期，在同等风速下，实验测试表明其输出性能明显提高。
进一步的，电磁感应线圈对称分布在梁两侧，一方面减少了压电梁上充当质量块的磁铁的影响，另一方面通过四个磁感线圈可以收集到更多的能量。
进一步的，为了更好地与压电薄膜接触并保证电极分布的均衡，压电层上采用离子溅射法喷金成电极层。此外，采用聚酰亚胺进行封装，可以在保护内层压电膜的同时对压电层的机械性能影响最小。聚酰亚胺具有较好的绝缘性能，可以大大减少能量损失。
附图说明
图1是本发明的旋转扇叶的结构示意图，整体通过3D打印制作，并通过有限元仿真优化磁铁间距参数；
图2是本发明实施例的旋转压电电磁能量收集器的正视图；
图3是本发明实施例的旋转压电电磁能量收集器的俯视图；
图4是本发明实施例的压电悬臂梁各层级材料结构示意图；
图5是本发明实施例的压电悬臂梁进行实验所得到的输出电压，代表当震动频率在37.5Hz时的电压；
图6是本发明实施例的能量收集模块以及模块输出测试结果。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明进行描述，这些描述只是进一步解释本发明的特征和优点，并非用于限制本发明的权利要求。
本发明所述收集多种环境能的旋转压电电磁能量收集器，包括外壳体1和位于所述外壳体1外部的扇叶2，所述扇叶2通过旋转轴3和轴承与所述外壳体1的顶板转动连接，所述旋转轴3与所述轴承连接的一端伸入所述外壳体1内部并连接有支架4，所述支架4上连接有磁铁5。
所述外壳体1的侧板上设置有能量收集工作平台，能量收集工作平台上连接有压电悬臂梁6和电磁感应线圈7，压电悬臂梁6的悬臂端位于磁铁5的下方，电磁感应线圈7位于磁铁5的外围，所述旋转轴3旋转时带动磁铁5旋转，电磁感应线圈7切割磁铁5的磁感线。
所述外壳体1底板上设置有能量收集模块和储能模块。压电悬臂梁6从压电层上下极引出导线与能量收集模块连接，电磁感应线圈7串联后与能量收集模块连接，能量收集模块与储能模块连接。能量收集模块用于收集、处理并整合压电悬臂梁、电磁感应线圈两部分能量并稳定输出直流电压，提高转化效率。储能模块将能量收集模块收集到的两部分能量收集储存并给设备供电。
实施例1
如图1-3所示，本发明公开了一种能够采集环境中的风能和振动能量来给无线传感节点和微型传感器供电的能量收集器，包括外壳体1和位于所述外壳体1外部的扇叶2，所述扇叶2通过旋转轴3和轴承与所述外壳体1的顶板转动连接，所述旋转轴3与所述轴承连接的一端伸入所述外壳体1内部并连接有支架4，所述支架4上连接有磁铁5。
所述外壳体1由亚力克板材质构成。
所述扇叶是由3D打印出的受风旋转的结构，本发明实施例中是采用四片挡风板做成扇叶，当然，结构不限于挡风板，如圆形俘风结构等也可以，通过鼓风机模拟阵风引起扇叶旋转，带动磁铁旋转。扇叶与所述外壳体的顶板用氧化锆陶瓷轴承连接。
所述支架4为横杆，所述横杆的两端分别连接有磁铁5，两块磁铁5关于旋转轴3对称布置。
所述外壳体1的侧板上设置有能量收集工作平台，能量收集工作平台上连接有压电悬臂梁6和电磁感应线圈7，压电悬臂梁6的悬臂端位于磁铁5的下方，电磁感应线圈7位于磁铁5的外围，所述旋转轴3旋转时，磁铁5切割电磁感应线圈7的磁感线。
所述外壳体1为方形箱体，所述外壳体1相对的两个侧板上均设置有能量收集工作平台，所述能量收集工作平台上通过螺钉和垫片连接有压电悬臂梁6，两个压电悬臂梁6关于旋转轴3对称布置。在所述能量收集工作平台上关于压电悬臂梁6轴线对称布置电磁感应线圈7，所述外壳体1内共设置有四个电磁感应线圈7，分别位于所述外壳体1的四个角落，四个电磁感应线圈7依次串联连接。
如图4所示，所述压电悬臂梁6包括压电层、基板、质量块，压电层粘结在基板中部，质量块连接在基板的悬臂端，基板的固定端通过螺钉和垫片安装在能量收集工作平台上。压电层总长宽厚20mm×20mm×0.16mm共有5层，包括两层聚酰亚胺膜(每层厚0.055mm)、两层金电极和一层P(VDF-TrFE)薄膜(厚0.05mm)；基板采用长宽厚32mm×20mm×0.2mm的304不锈钢，其具有优良的机械性能；质量块由长宽高为10mm×5mm×2mm的两块铷磁铁组成。
本发明实施例的压电层制备方法具体是：P(VDF-TrFE)膜通过两面喷金上电极，使用厚0.055mm的聚酰亚胺膜对已极化喷金的P(VDF-TrFE)膜进行双面封装。压电层使用厚0.05mm的3M双面胶与基板粘连。基板采用304不锈钢。本发明压电悬臂梁结构简单，制作难度小，并且具有稳定输出。
电磁感应线圈的绕柱通过凝胶粘连在所述外壳体1内部基座上。电磁感应线圈的漆包线直径0.2mm，整体线圈环厚度3mm。相邻压电磁感应线圈的边线相距24mm。各个电磁感应线圈之间通过漆包线焊接进行串联。
所述外壳体1底板上设置有能量收集模块和储能模块。压电悬臂梁6从压电层上下极引出导线与能量收集模块连接，电磁感应线圈7串联后与能量收集模块连接，能量收集模块与储能模块连接。能量收集模块用于收集、处理并整合压电悬臂梁、电磁感应线圈两部分能量，提高转化效率。储能模块将能量收集模块收集到的两部分能量收集储存并给设备供电。
所述能量收集模块以LTC3588芯片为核心进行设计，在输入端连接压电梁并联1uF电容防止电压过大导致模块损毁，内置整流模块实现交流转直流，输出端并联电阻储能并输出，可输出3.3V电压，可选择高达100mA的连续输出电流；同时电磁感应线圈也接入整流模块，将交流转变成直流，最终整合输出能量。
本发明压电悬臂梁6为P(VDF-TrFE)薄膜制成的P(VDF-TrFE)压电梁，当环境中有当有阵风或低速风刮过时，风会带动扇叶旋转使得所述外壳体1内磁铁同步旋转，一方面通过磁力作用带动压电悬臂梁发生振动，基于P(VDF-TrFE)薄膜的压电效应，压电层表面因受到冲击而发生形变，此时，由于膜的拉伸，会将机械能转变成电能通过导线输送至能量收集模块，同时随着扇叶旋转，旋转磁铁使电磁感应线圈切割磁感线产生感应电流。在无风时，通过收集环境振动获得能量，可维持基本待机使用。
本发明公开了所述能量收集器的制备方法，包括以下步骤：
1)为适应小型结构设计，通过仿真软件优化P(VDF-TrFE)薄膜的设计参数，包括P(VDF-TrFE)薄膜裁剪尺寸及其上的电极图形；
2)根据所设计的P(VDF-TrFE)薄膜的电极图形采用3D打印制作掩膜版，通过离子溅射法喷金给P(VDF-TrFE)薄膜上电极；使用厚度为20μm的聚酰亚胺薄膜对喷金完成的P(VDF-TrFE)薄膜进行封装；
3)设计压电悬臂梁模块：使用Ansys软件模拟仿真，对压电悬臂梁结构参数进行优化，实现最优输出；根据设计结果制备压电悬臂梁；
4)设计电磁感应线圈模块，使用ansoft maxwell软件对电磁感应线圈模块进行仿真分析，实现感应电流的预期结果；根据设计结果制备电磁感应线圈；
5)设计旋转压电电磁能量收集器的整体结构：使用solidworks作出旋转压电电磁能量收集器3D结构图；根据3D结构图制备旋转压电电磁能量收集器；
6)将压电悬臂梁和电磁感应线圈分别连入能量收集模块，完成压电-电磁混合能量收集器的制备。
图5(a)～(c)代表压电悬臂梁受迫振动时，由于压电效应会产生的输出电压，图5(a)中横坐标为扫频的频率，纵坐标代表输出电压的大小。图5(b)中，横坐标为时间即扫描速度，纵坐标为电压输出；图5(c)中，可以看到不同频率下的电压输出都是稳定的。
图6为以LTC3588芯片为核心设计的能量收集模块，通过H1接口连接压电悬臂梁和电磁感应线圈，再从H3接口输出能量至储存模块或微电子设备，实验测试可知该能量收集模块可以稳定输出3.6v直流电压。
本发明相比其他同类产品，一方面通过横向压电梁结构使得其在无风的情况下仍旧能够通过收集振动能获得一定输出，在面对复杂多变的环境中，更具有稳定性；另一方面，通过低速风能旋转获得压电电磁能量收集，本产品可收集各向来风。实现有风与无风情况下都能持续的收集能量。
Claims (10)
1.一种收集多种环境能的旋转压电电磁能量收集器，其特征在于，包括外壳体(1)和位于所述外壳体(1)外部的扇叶(2)，所述扇叶(2)通过旋转轴(3)与所述外壳体(1)的顶板转动连接，所述旋转轴(3)一端伸入所述外壳体(1)内部并连接有磁铁(5)；
所述外壳体(1)内设置有压电悬臂梁(6)和电磁感应线圈(7)；所述旋转轴(3)旋转时带动磁铁(5)旋转，电磁感应线圈(7)切割磁铁(5)的磁感线产生感应电流；
所述外壳体(1)内设置有能量收集模块；压电悬臂梁(6)和电磁感应线圈(7)均与能量收集模块电连接。
2.根据权利要求1所述的收集多种环境能的旋转压电电磁能量收集器，其特征在于，所述外壳体(1)内设置有储能模块，能量收集模块与储能模块电连接。
3.根据权利要求1所述的收集多种环境能的旋转压电电磁能量收集器，其特征在于，所述旋转轴(3)一端伸入所述外壳体(1)内部并连接有支架(4)，所述支架(4)上连接有若干个磁铁(5)。
4.根据权利要求3所述的收集多种环境能的旋转压电电磁能量收集器，其特征在于，所述支架(4)为横杆，所述横杆的两端分别连接有磁铁(5)，两块磁铁(5)关于旋转轴(3)对称布置。
5.根据权利要求1所述的收集多种环境能的旋转压电电磁能量收集器，其特征在于，所述压电悬臂梁(6)包括压电层、基板和质量块，压电层粘结在基板上，质量块连接在基板的悬臂端。
6.根据权利要求5所述的收集多种环境能的旋转压电电磁能量收集器，其特征在于，所述压电悬臂梁(6)设置两个，两个压电悬臂梁(6)关于旋转轴(3)对称布置；在所述能量收集工作平台上关于压电悬臂梁(6)轴线对称布置电磁感应线圈(7)，各电磁感应线圈(7)位于磁铁(5)的外围，各电磁感应线圈(7)串联连接后与能量收集模块电连接。
7.根据权利要求5所述的收集多种环境能的旋转压电电磁能量收集器，其特征在于，所述压电层包括一层P(VDF-TrFE)薄膜，所述P(VDF-TrFE)薄膜两面上各设置有一层通过离子溅射法喷金形成的金电极，所述金电极上设置有聚酰亚胺层。
8.根据权利要求6所述的收集多种环境能的旋转压电电磁能量收集器，其特征在于，所述质量块为铷磁铁。
9.根据权利要求1所述的收集多种环境能的旋转压电电磁能量收集器，其特征在于，所述能量收集模块包括LTC3588芯片。
10.权利要求1-9任一项所述的收集多种环境能的旋转压电电磁能量收集器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过仿真软件优化压电悬臂梁和电磁感应线圈的设计参数；
根据压电悬臂梁和电磁感应线圈的设计参数分别制备压电悬臂梁和电磁感应线圈；
将压电悬臂梁和电磁感应线圈分别连接能量收集模块。
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| CN202410265399.XA Pending CN118137744A (zh) | 2023-04-17 | 2024-03-08 | 一种收集多种环境能的旋转压电电磁能量收集器及其制备方法 |
Family Applications After (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410265399.XA Pending CN118137744A (zh) | 2023-04-17 | 2024-03-08 | 一种收集多种环境能的旋转压电电磁能量收集器及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (2) | CN116470791A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117969882A (zh) * | 2024-04-01 | 2024-05-03 | 弘盛昌科技(厦门)有限公司 | 一种用于风力发电的风速测定测试系统 |
-
2023
- 2023-04-17 CN CN202310409619.7A patent/CN116470791A/zh active Pending
-
2024
- 2024-03-08 CN CN202410265399.XA patent/CN118137744A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117969882A (zh) * | 2024-04-01 | 2024-05-03 | 弘盛昌科技(厦门)有限公司 | 一种用于风力发电的风速测定测试系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN118137744A (zh) | 2024-06-04 |
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