CN117713640A - 一种光电-热电-压电耦合的复合能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电‑热电‑压电耦合的复合能量收集装置，属于电学中的电力发电、变电或配电领域；系统壳体用于支撑布置光电‑热电能量收集装置、压电能量收集装置、散热孔；光电‑热电能量收集装置分别布置在系统壳体的五个表面，实现对工作环境中光能与热能的互益耦合收集；压电能量收集装置布置在系统壳体的内部右侧，实现对工作环境中热能与机械能的互益耦合收集；通过光电‑热电‑压电耦合的复合能量收集装置对自然环境中广泛存在的光能、热能、机械能进行互益收集，突破多源能量收集简单“1+1”的实现模式；产生的电能可以供给物联网节点等多种用电设施，对维持用电设施的可靠稳定运行具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电-热电-压电耦合的复合能量收集装置，属于电学中的电力发电、变电或配电领域。
背景技术
随着物联网技术的发展，智能终端广泛布置于智能家居、智能交通与数字工厂等多种室内外、动静共存的场景中。面对物联网无线智能终端长期、自主、可持续工作的共性需求，利用光电、热电、压电能量收集机理的多源泛在能量收集技术，为智能终端的自供能运行提供了有效、可持续的能源供给方案。
单一能源的能量收集技术往往依赖于环境稳定性，针对智能家居等物联网场景中复杂高动态的应用环境，单一能源的能量收集技术适用性受到了很大限制。将自然环境中存在的光能、热能、机械能三种能量进行复合收集，对复杂多变的环境中智能终端无源自主、可靠稳定运行具有重要意义。
光伏电池利用光伏效应将光能转化为电能，在此过程中约80％以上的光能会转化为热能耗散。热量导致电池温度升高的同时，会降低输出电压和功率，光伏电池的转化效率也随之降低，温度每升高10℃，发电效率约下降0.5％。光伏电池的高温热量为光能-热能互益耦合能量收集打造了条件。温差发电片利用塞贝克效应将热能转化为电能，光伏电池作为温差发电片的热源，光能与热能同时得到收集利用。在稳定加热环境中，温差发电片两端温度会趋于相同，热能无法持续收集，因此需要可靠的散热机制构建稳定的温差，保障热能到电能的转化。机械能收集结构的振动特性为机械能-热能互益耦合能量收集创造了条件。压电材料利用压电效应收集机械振动的能量转化为电能。压电悬臂梁振动时产生气流可为温差发电片散热，在收集机械能的同时保障热电转化的散热需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种光电-热电-压电耦合的复合能量收集装置，对自然环境中存在的光能、热能、机械能三种耦合的能量进行复合收集，实现能源的最大利用。一种光电-热电-压电耦合的复合能量收集装置，包括系统壳体、光电-热电能量收集装置以及压电能量收集装置；
其中，所述系统壳体用于支撑布置光电-热电能量收集装置、压电能量收集装置；所述系统壳体为六面体，所述光电-热电能量收集装置分别布置在系统壳体的五个表面，实现环境中光能与热能的互益耦合收集；所述压电能量收集装置布置在系统壳体的内部，实现环境中热能与机械能的互益耦合收集。
进一步的，还包括设置散热孔的散热板，布置在系统壳体的一侧表面上。
较佳的，所述光电-热电能量收集装置包括顺次贴合排布的光伏电池板、第一导热层、温差发电片、第二导热层、散热片。
较佳的，所述散热片的一侧为光滑表面，与第二导热层的背部贴合，另一侧表面分布散热颗粒。
较佳的，所述光伏电池板采用单片的光伏电池，或者采用多片光伏电池通过串并联构成的阵列。
较佳的，压电能量收集装置包括振动叶片、上侧压电片、下侧压电片、振动叶片质量块以及固定端；
其中，所述振动叶片固定在固定端上，振动叶片上侧布置上侧压电片，叶片的下侧布置下侧压电片，叶片的前端布置振动叶片质量块；
固定端的内部设置稳压模块和供能模块；所述稳压模块对来自光电-热电能量收集装置与压电能量收集装置的不同特性的电能进行稳压处理，输出稳定电能提供给供能模块。
较佳的，所述振动叶片的前端宽大，后端窄长，后端连接固定端。
较佳的，所述振动叶片采用柔性材料；所述上侧压电片和下侧压电片对称布置在振动叶片的上下侧。
较佳的，所述压电能量收集装置固定端布置在系统壳体的内部右侧面的中心。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明充分利用能量收集机制之间的互益耦合关系，合理设计了光电、热电与压电的发电结构，通过光电-热电-压电耦合的复合能量收集装置对自然环境中广泛存在的光能、热能、机械能进行互益收集，突破多源能量收集简单“1+1”的实现模式。
(2)本发明装置的结构简单，便于实现，产生的电能可以供给物联网节点等多种用电设施，适用范围广。同时，避免了单一能量收集技术应对复杂高动态应用环境的不足，对维持用电设施的可靠稳定运行具有重要意义。
附图说明
图1为一种光电-热电-压电耦合的复合能量收集装置的结构图。
图2为压电能量收集装置的结构图。
图3为光电-热电能量收集装置的结构图。
图4为本发明装置的流程图。
其中，1-系统壳体，2-压电能量收集装置，3-散热板，401-上侧光电-热电能量收集装置，402-右侧光电-热电能量收集装置，403-前侧光电-热电能量收集装置，404-左侧光电-热电能量收集装置，405-后侧光电-热电能量收集装置，5-振动叶片，601-上侧压电片，602-下侧压电片，7-振动叶片质量块，8-压电能量收集装置固定端，9-光伏电池板，10-导热层a，11-温差发电片，12-导热层b，13-散热片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
图1为本实施例光电-热电-压电耦合的复合能量收集装置的结构，图2为本实施例压电能量收集装置的结构，图3为本实施例光电-热电收集装置的结构，图4为本实施例的流程图。所述光电-热电-压电耦合的复合能量收集装置包括系统壳体1，压电能量收集装置2，散热板3，上侧光电-热电能量收集装置401，右侧光电-热电能量收集装置402，前侧光电-热电能量收集装置403，左侧光电-热电能量收集装置404，后侧光电-热电能量收集装置405，振动叶片5，上侧压电片601，下侧压电片602，振动叶片质量块7，压电能量收集装置固定端8，光伏电池板9，导热层a10，温差发电片11，导热层b12，散热片13以及必要的导线。
本发明装置对自然环境中存在的光能、热能、机械能三种耦合的能量进行复合收集，实现能源的最大利用。装置主要包括系统壳体1、光电-热电能量收集装置、压电能量收集装置2。
系统壳体1用于支撑布置光电-热电能量收集装置、压电能量收集装置2、散热板3。系统壳体1为六面体结构，可根据实际需要设计体积大小。光电-热电能量收集装置分别布置在系统壳体1的五个表面，分别是上侧401、右侧402、前侧403、左侧404、后侧405。光电-热电能量收集装置实现工作环境中光能与热能的互益耦合收集。压电能量收集装置2布置在系统壳体1的内部右侧，实现装置工作环境中热能与机械能的互益耦合收集。散热板3布置在系统壳体1的下侧表面，其上设置散热孔。
本发明装置中涉及的光电-热电能量收集装置具有相同的结构，如附图3所示，由光伏电池板9、导热层a10、温差发电片11、导热层b12、散热片13紧密贴合而成，该五部分具有相同的表面积，有利于减少热量的浪费。
光电-热电能量收集装置面向系统壳体1外部的结构为光伏电池板9，用于收集光能转化为电能。光伏电池板9可以是单片的光伏电池，也可以是由多片光伏电池通过串并联构成的阵列。
导热层a10布置在光伏电池板9的背部，粘接光伏电池板9背部与温差发电片11热端。导热层a10具有较大的导热系数，可使用导热硅脂或者用于增强接触面导热能力的双面胶带HF-S43，填补光伏电池板9背部表面与温差发电片11热端表面的空隙，减小界面间的接触热阻。将光伏电池板9的温度传导给温差发电片11的热端。光伏电池板9作为温差发电片11的热源，热能得到收集利用转化为电能。同时，温差发电片11作为热导路径，为光伏电池板散热冷却，实现光能与热能的互益耦合收集。
光电-热电能量收集装置面向系统壳体1内部的结构为散热片13，用于散热。表格1为常用固体材料的导热系数，纯银导热性很好，但价格昂贵。纯铜的导热系数很高，因此散热片13采用铜材质，提升导热能力。散热片13的一侧表面光滑便于提高导热效果，另一侧表面分布大量散热颗粒，增大散热表面积。
表格1常用固体材料导热系数
| 固体材料 | 导热系数(W/mK) | 固体材料 | 导热系数(W/mK) |
| 纯银 | 429 | 铝合金6061 | 160 |
| 纯铜 | 401 | 铝合金6063 | 201 |
| 青铜 | 32-153 | 铝合金7075 | 130 |
| 纯铝 | 237 | 铝合金1070 | 226 |
| 钢 | 36-54 | 硬质PVC | 0.17 |
导热层b12布置在散热片13的背部，粘接温差发电片11冷端与散热片13，导热层b12具有较大的导热系数，可使用导热硅脂或者用于增强接触面导热能力的双面胶带HF-S43，填补温差发电片11冷端表面与散热片13光滑表面的空隙，减小界面间的接触热阻。将温差发电片冷端11的温度传导给散热片13，提高温差发电片11的散热效果，建立温差，保障热能持续收集。
压电能量收集装置2由振动叶片5，上侧压电片601，下侧压电片602，振动叶片质量块7，压电能量收集装置固定端8构成。
振动叶片5固定在压电能量收集装置固定端8上，叶片上侧布置上侧压电片601，叶片的下侧布置下侧压电片602，叶片的前端布置振动叶片质量块7。
振动叶片5的前端宽大，后端窄长，后端窄长处连接压电能量收集装置固定端8，前端宽大处能够自由活动。所述振动叶片质量块7可增加叶片的惯性质量，调整振动频率，收集更多机械能。振动叶片5的材料具有柔性，例如薄不锈钢材料，可随工作环境中的位移而振动产生形变。上侧压电片601和下侧压电片602，对称布置在振动叶片5的上下侧。在所述振动叶片5的形变下而产生形变，收集机械能转化为电能。
振动叶片5在振动时使系统壳体内部的空气加速流动产生气流，气流作用在散热片13上会使散热片13的散热效率提高，使温差发电片11的冷端表面温度进一步降低。在收集机械能的同时保障热电转化的散热需求，实现热能与机械能的互益耦合收集。
压电能量收集装置固定端8布置在系统壳体1的内部右侧中心，在固定端8的内部布置稳压模块和供能模块，节约系统壳体内部的空间，有助于壳体内部的空气流动，提高散热效果。光电-热电能量收集装置与压电能量收集装置的不同特性的电能以导线传输至稳压模块，稳压模块进行稳压处理，输出稳定电能提供给供能模块。供能模块可连接负载，提供稳定电能供给，同时对光电-热电-压电耦合的复合能量收集装置产生的富余电能进行储能。
根据附图所示综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种光电-热电-压电耦合的复合能量收集装置，其特征在于，包括系统壳体、光电-热电能量收集装置以及压电能量收集装置；
其中，所述系统壳体用于支撑布置光电-热电能量收集装置、压电能量收集装置；所述系统壳体为六面体，所述光电-热电能量收集装置分别布置在系统壳体的五个表面，实现环境中光能与热能的互益耦合收集；所述压电能量收集装置布置在系统壳体的内部，实现环境中热能与机械能的互益耦合收集。
2.如权利要求1所述的一种光电-热电-压电耦合的复合能量收集装置，其特征在于，还包括设置散热孔的散热板，布置在系统壳体的一侧表面上。
3.如权利要求1或2所述的一种光电-热电-压电耦合的复合能量收集装置，其特征在于，所述光电-热电能量收集装置包括顺次贴合排布的光伏电池板、第一导热层、温差发电片、第二导热层、散热片。
4.如权利要求3所述的一种光电-热电-压电耦合的复合能量收集装置，其特征在于，所述散热片的一侧为光滑表面，与第二导热层的背部贴合，另一侧表面分布散热颗粒。
5.如权利要求3所述的一种光电-热电-压电耦合的复合能量收集装置，其特征在于，所述光伏电池板采用单片的光伏电池，或者采用多片光伏电池通过串并联构成的阵列。
6.如权利要求1所述的一种光电-热电-压电耦合的复合能量收集装置，其特征在于，压电能量收集装置包括振动叶片、上侧压电片、下侧压电片、振动叶片质量块以及固定端；
其中，所述振动叶片固定在固定端上，振动叶片上侧布置上侧压电片，叶片的下侧布置下侧压电片，叶片的前端布置振动叶片质量块；
固定端的内部设置稳压模块和供能模块；所述稳压模块对来自光电-热电能量收集装置与压电能量收集装置的不同特性的电能进行稳压处理，输出稳定电能提供给供能模块。
7.如权利要求6所述的一种光电-热电-压电耦合的复合能量收集装置，其特征在于，所述振动叶片的前端宽大，后端窄长，后端连接固定端。
8.如权利要求6所述的一种光电-热电-压电耦合的复合能量收集装置，其特征在于，所述振动叶片采用柔性材料；所述上侧压电片和下侧压电片对称布置在振动叶片的上下侧。
9.如权利要求6所述的一种光电-热电-压电耦合的复合能量收集装置，其特征在于，所述压电能量收集装置固定端布置在系统壳体的内部右侧面的中心。
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