CN205725110U - 新型压电式水中振动能量采集装置 - Google Patents

Abstract

一种新型压电式水中振动能量采集装置,包括管道，圆柱钝体，压电双晶片，压电聚合物薄膜，导线，整流电路，充电电池，电极点。本实用新型解决了现有技术对水下能量采集和转化，并解决水下工作电路模块电池供电的不足的问题，实现了利用流体通过钝体结构时，形成涡街，涡街与压电聚合物相互作用使得压电双晶片振动，通过压电效应将机械能转换为电能。且可以将单个能量采集装置沿管道实现多个阵列化排布，以增加输出功率。

Description

新型压电式水中振动能量采集装置

技术领域

本实用新型涉及一种新型压电式水中振动能量采集装置,属于能源技术领域。

背景技术

能量采集是一个将周围能量转换成电能的过程，例如太阳能、热能、机械振动能。近些年随着便携式电子设备和无线技术的发展引导了超小型低功率的传感器和执行器的发展。随着无线传感器网络、嵌入式智能结构和可穿戴式健康监测等功耗低、独立工作系统的迅速发展，对长寿命的独立电源供应技术的需求越来越强烈。目前，环境振动能量采集技术是解决以上问题的有效方法。以压电材料的压电效应作为换能基础设计制作的压电发电装置因具备能量密度高,寿命长，可与MEMS加工工艺兼容等优点，因而获得了广泛的关注。

压电能量采集器的工作原理是基于压电材料的正压电效应，其正压电效应是将机械能转化为电能，当外力作用到压电元件上并引起材料发生变形，材料内部正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小，导致原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电现象。所产生的电能依赖于外部环境振动频率，当压电能量采集器的系统频率与外部振动频率相匹配产生共振时，将输出最大功率，但是，当压电能量采集器的系统频率偏离外部振动频率时，输出的功率将减少。而水下压电振动能量采集，是利用流体绕流钝体产生的涡街使压电片产生振动，从而输出电能。

压电能量采集特别是振动能在近十年受到了很多的关注，由于水流具有很高的能量密度，是能量采集最好的选择。本实用新型的优点是可直接利用管道内的流固耦合作用发电，结构简单，便于安装。本实用新型可用于水下的振动能量发电，并直接为水下环境工作器件的电池充电。

经对现有技术文献的检索发现，Xiaobiao Shan, Rujun Song等在《CeramicsInternational 》41 (2015) S763–S767撰文“Novel energy harvesting: A macro fibercomposite piezoelectric energy harvester in the water vortex”（“新的能量采集：宏纤维复合压电能量采集”《陶瓷国际》）。该文中提出了一种利用涡街振动收集能量的压电能量采集，但是，用这种方法一方面使得结构分离，而且采集的效果不佳。

实用新型内容

本实用新型目的在于针对现有技术的不足，提出一种新型压电式水中振动能量采集装置，解决现有水下能量采集和转换难题。利用水下流体流动产生流固耦合效应，通过压电效应，将机械能转换为电能，为井下电池充电。

本实用新型所述装置结构包括：管道，圆柱钝体，压电双晶片，压电聚合物薄膜，导线，整流电路，充电电池，电极点；

所述圆柱钝体，压电双晶片、压电聚合物薄膜、均置于管道内部;管道的上部开有与压电双晶片横截面对应的孔洞，圆柱钝体上部开有与压电双晶片横截面对应的孔洞;压电双晶片上端与下端分别通过环氧树脂胶固定在管道上，和圆柱钝体上;压电聚合物通过环氧树脂胶粘附在圆柱钝体后。分别在压电双晶片与压电聚合物表面焊接导线并引入到整流电路内，通过整流电路与电池相连接，为电池供电。压电双晶片与压电聚合物表面有一层绝缘层。

所述压电双晶片是由两层压电片通过串联或并联方式堆叠而成；

所述整流电路是将压电双晶片以及压电聚合物薄膜产生的交流电转换为直流电从而为电池充电；

所述圆柱钝体，压电双晶片，压电聚合物薄膜，导线组成的能量采集装置可沿管道实现多个阵列化排布，以增加输出功率；

所述的压电聚合物薄膜既可以在水流中收集能量又可以引起压电片的振动使得压电片振动，从而使得压电片将振动能量转换成电能。

本实用新型解决了现有技术对水下能量采集和转化，并解决水下工作电路模块电池供电的不足的问题，实现了利用流体通过钝体结构时，形成涡街，涡街与压电聚合物相互作用使得压电双晶片振动，通过压电效应将机械能转换为电能。且可以将单个能量采集装置沿管道实现多个阵列化排布，以增加输出功率。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的整体结构示意图；

图2为本实用新型中流体流过钝体时产生涡街示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例作详细说明：本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：管道(1)、圆柱钝体(2)、压电双晶片(3)、压电聚合物（压电聚合物薄膜）(4)、导线(5)、整流电路(6)、充电电池(7)。

压电双晶片(3)上端固定在管道上，下端与圆柱钝体连接。

圆柱钝体(2)，压电双晶片(3)、压电聚合物（压电聚合物薄膜）(4)、均置于管道(1)内部。压电双晶片(3)上端固定在管道(1)上，下端固定在圆柱钝体(2)上。压电双晶片(3)是由压电材料制成，压电双晶片(3)包括三层，中间层为金属层，上层和下层均为压电层，上层压电层和下层压电层上均覆盖有电极，上层压电层电极和下层压电层电极并联连接。

管道(1)的上部开有与压电双晶片横截面对应的孔洞，压电双晶片(3)的一端直接粘附于孔洞内。圆柱钝体(2)上部开有与压电双晶片横截面对应的孔洞，压电双晶片(3)的下端直接粘附于孔洞内。压电聚合物（压电聚合物）(4)粘附在圆柱钝体后。为了使管道(1)内流场稳定，尽量使圆柱钝体(2)置于管道(1)内的中心位置且与水平方向垂直。

如图1、图2所示，本实施例的压电双晶片(3)在管道(1)上部要固定好。固定处防止发生晃动，与水平面垂直，且双晶片的上下面与水流方向一致。压电双晶片(3)与压电聚合物要做好绝缘处理。

压电聚合物(4)在水流绕流钝体产生的涡街力下产生运动，圆柱钝体(2)在受水流冲力与涡街作用力下产生摆动从而带动压电双晶片发生振动。从而压电双晶片(3)与压电聚合物(4)产生电能。

本实施例在制作时，将接好导线(5)的压电双晶片与压电聚合物（压电聚合物）喷涂一层绝缘漆以作绝缘防水处理。各尺寸可根据管道(1)直径进行选择。

Claims (2)

1.一种新型压电式水中振动能量采集装置,其特征在于:所述装置结构包括管道，圆柱钝体，压电双晶片，压电聚合物薄膜，导线，整流电路，充电电池，电极点;

所述圆柱钝体，压电双晶片、压电聚合物薄膜、均置于管道内部;管道的上部开有与压电双晶片横截面对应的孔洞，圆柱钝体上部开有与压电双晶片横截面对应的孔洞;压电双晶片上端与下端分别通过环氧树脂胶固定在管道上，和圆柱钝体上;压电聚合物通过环氧树脂胶粘附在圆柱钝体后;别在压电双晶片与压电聚合物表面焊接导线并引入到整流电路内，通过整流电路与电池相连接，为电池供电;电双晶片与压电聚合物表面有一层绝缘层。

2.根据权利要求1所述的一种新型压电式水中振动能量采集装置,其特征在于:所述压电双晶片是由两层压电片通过串联或并联方式堆叠而成。