CN207010329U - 一种多模能量收集棒球棍 - Google Patents

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李春彪
陈浩然
赵云楠
张博凯
姚浏翔
赵兴强
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Abstract

本实用新型公开了一种多模能量收集棒球棍，包括棒球棍主体，棒球棍主体内设四个腔室，各腔室内壁设有绝缘保护层，第一、第二腔室内设有贯穿的悬臂梁，悬臂梁固定端固定在第二、三腔室连接处，悬臂梁摆动端悬于第一腔室；第一腔室内设有磁铁块和线圈，磁铁块固定在悬臂梁的摆动端，线圈分布在磁铁块的上下两侧，第二腔室内设有压电晶体，压电晶体固定在悬臂梁上；第三腔室内设有衔接电路，第四腔室内设有电量储存器，衔接电路包括AD/DC二极管整流器和DC/DC转换器；所述线圈、压电晶体的输出端与AD/DC二极管整流器的输入端连接。本实用新型棒球棍可以收集棒球棍击球震动的能量并将其转化为电能储存在电量储存器，再用于为电子设备应急供电，绿色环保。

Description

一种多模能量收集棒球棍
技术领域
本实用新型涉及能量收集技术应用领域，具体涉及一种多模能量收集棒球棍。
背景技术
能量收集技术是指把大自然中的动能、光能、电磁能、热能等能源收集起来转化成电能给系统供电。微型能量收集技术的应用包括物联网的无线传感器网络、结构健康监测、植入式医疗监测、有源射频传感器及识别等方面。目前，无线传感器网络各领域在中国正在迅速发展，而这些应用在电池的维护问题上有着不可避免的困难，这也使得能量收集技术在物联网应用中更加重要。可以预见，能量收集技术必将成为中国物联网领域的重要技术。
当今，在各行各业的产品中，电源是无处不在的，大容量电池对于某些厂家不是特别适用，甚至没有空间存放这个电池，更别说对电池进行快速充电，比如医疗、仓储、物联网的应用，因此一些可穿戴式的、监控的传感器网络被市场需求，这些应用虽然难以获得持续供电，但是可以从周围环境或传感器获取能量。
当主电源不可用时，能量采集有助于延长设备的运行时间。便携式设备就是要求延长运行时间的一种主要领域，如电话、多媒体播放器、手持射频设备、POS扫描仪、便携式医疗设备等。另外在一些新兴国家，为手机充电是很成问题的，因为电源不是可以随时找到。因此，能量采集就变得非常有必要了，而且能量采集装置比安装一整套电网要便宜很多。
针对于压电能量收集技术，近十年来，国内外学者提出了大量压电梁、板俘能器的模型，建模分析得出了解析解或数值解，并从以下方面进行了优化：压电单双层、双压电层的串并联、基体几何参数(长度、宽度、形状)、压电层位置、电极形状位置、外激励、输出电路的最优电阻等，最后通过实验对理论模型进行修正，以寻找精确解。总结文献可知，目前压电振动能量采集主要考虑的重点和难点问题有：给定的环境条件下装置最大的电能输出、不同环境条件下的力学调谐与电学调谐、响应频带的扩展、非线性因素的影响等等。2007年，Anton和Sodano对压电材料制成的电能采集器的评述回顾指出,大部分的研究集中在物理和几何结构设计和自适应电路改进上，而其面临的挑战是产生的电能与储能元件本身的耗能。研究主题向完整的实用性装置(电能采集，存储和应用电路的组合)转变是新的发展方向。
近些年，国内外学者迎合电能采集器新发展方向，针对能量存储电路与存储元件进行了大量研究。科学研究发现通过DC-DC转换电路提高能量采集效率达400％，另外一同步电荷存储技术，称之为电感同步开关能量存储技术，简称为SSH I，经过理论和实验研究，其相比标准能量采集电路能量传输效率可提高400％。而研究结果表明通过引入SSH I和DC-DC存储电路的电量存储效率高于只有其中一种电路的电量存储效率。关于存储元件，研究表明超级电容作为能量存储元件具有相比于可充电镍氢电池、可充电锂离子有着明显优势。
陕西师范大学的班效强等人公开的一种压电发电式汽车供电系统(申请号：CN201610191240.3)，这个专利将压电能量收集系统应用于交通工具，但由于其压电装置固定于汽车轮胎里，不具备即刻能量收集能力，同时供电对象单一。南京航空航天大学的余昀霞等人公开了一种具有压电能量收集功能的腰带(申请号：CN201610022544.7)很明显这个专利所针对的可收集能量源并不能提供较多能源，其能量仅来自腹部收缩扩张，本专利利用棒球棍的运动特性，随时随地将收集的能量对很多电子产品进行充电；选择了运动器械，通过碰撞打击，在使用时可以产生较大的振动频率，相应的，可以收集的能量也更多。关于配备能量收集系统的棒球棍专利在中国专利库中没有记录。
由北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室王彩锋等人发表的论文《压电-电磁复合式俘能器设计及能量收集测试应用》试验测试对比分析了压电式、电磁式、复合式俘能器的输出特性，得出复合式俘能器的俘能效率相比单体俘能有效提高的结论。由西安交通大学王宏金等人发表的《多模态下压电振动能量收集器的等效电路仿真》对多模能量收集的衔接电路进行了分析研究，然而纵观多模能量收集器的相关论文，没有涉及到在运动器材上的运用。本专利在以上观点的基础上进行了进一步的研究，将多模能量收集器运用于运动器材。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种多模能量收集棒球棍，将棒球棍运动过程中产生的振动能量，转变成电能收集起来，用于给户外的电子产品补充电能。
上述目的是通过如下技术方案实现的：
一种多模能量收集棒球棍，包括棒球棍主体，棒球棍主体内自击打端至手柄端依次设有第一腔室、第二腔室、第三腔室和第四腔室，各腔室内壁设有绝缘保护层，第一、第二腔室内设有贯穿的悬臂梁，悬臂梁的固定端固定在第二腔室和第三腔室的连接处，悬臂梁的摆动端悬于第一腔室中；第一腔室内设有磁铁块和线圈，磁铁块固定在悬臂梁的摆动端，线圈分布在磁铁块的上下两侧，第二腔室内设有多个压电晶体，压电晶体固定在悬臂梁上；第三腔室内设有衔接电路，第四腔室内设有用于充电和放电的电量储存器，衔接电路包括AD/DC二极管整流器和DC/DC转换器，AD/DC二极管整流器的输出端与DC/DC转换器的输入端连接，DC/DC转换器的输出端与电量储存器的输入端连接；所述线圈、压电晶体的输出端与AD/DC二极管整流器的输入端连接。
优选地，还包括控制器，控制器设于第三腔室内，并分别与DC/DC转换器、电量储存器连接。
优选地，所述电量储存器的输出端设有通用USB接口。
优选地，所述压电晶体为两个。
优选地，所述压电晶体为聚偏氟乙稀材质。
本实用新型的有益效果：
本实用新型提供的多模能量收集棒球棍可以收集棒球棍击球震动的能量并将其转化为电能储存在电量储存器，再用于为电子设备应急供电，绿色环保。
附图说明
图1为本实用新型装置结构示意图；
图2为衔接电路的组成及与控制器、电量储存器的连接关系框图；
图3为磁铁块和线圈位置关系图；
图中：1、棒球棍主体；2、第一腔室；3、第二腔室；4、第三腔室；5、第四腔室；6、绝缘保护层；7、悬臂梁；8、磁铁块；9、线圈；10、压电晶体；11、电量储存器。
具体实施方式
下面结合附图具体介绍本实用新型的技术方案。
如图1-3所示的一种多模能量收集棒球棍，包括棒球棍主体1，棒球棍主体1内自击打端至手柄端依次设有第一腔室2、第二腔室3、第三腔室4和第四腔室5，各腔室内壁设有绝缘保护层6，第一、第二腔室内设有贯穿的悬臂梁7，悬臂梁7的固定端固定在第二腔室3和第三腔室4的连接处，悬臂梁7的摆动端悬于第一腔室2中；第一腔室2内设有磁铁块8和线圈9，磁铁块8固定在悬臂梁7的摆动端，线圈9分布在磁铁块8的上下两侧，第二腔室3内设有两个压电晶体10，压电晶体10固定在悬臂梁7上；第三腔室4内设有衔接电路，第四腔室5内设有用于充电和放电的电量储存器11，衔接电路包括AD/DC二极管整流器和DC/DC转换器，AD/DC二极管整流器的输出端与DC/DC转换器的输入端连接，DC/DC转换器的输出端与电量储存器11的输入端连接；线圈9、压电晶体10的输出端与AD/DC二极管整流器的输入端连接。压电晶体为聚偏氟乙稀材质。
第三腔室4内还设有控制器，并分别与DC/DC转换器、电量储存器连接。控制器主要由电容器组构成，作用有两个，一是通过检测电压，使得输入电压达到某一定值时让电路流通充电，当低于这个定值时将电能存储在电容器中，从而达到稳定充电电流的作用。二是检测电量储存器是否充满电，充满电时，将多余电能存储在电容器中，从而保护电量储存器。
为了便于供电子设备充电，电量储存器11的输出端设有通用USB接口。
工作原理：
棒球棍击打棒球时，棒球棍主体发生震动，磁铁块跟着发生往复震动，并不断改变其两侧线圈的磁通量，从而使得线圈产生电流；同时，第二腔室内的悬臂梁受磁铁块往复震动而发生一定程度的弯折，致使固定在其上的压电晶体发生形变进而产生电流。线圈产生的电流和压电晶体产生的电流经AD/DC二极管整流器整流、DC/DC转换器转换储存到电量储存器中。上述过程即完成能量的转化和收集。在外部电子设备需要应急供电时，由于电量储存器具有向外部供电的功能，只需通过USB数据线将外部电子设备与电量储存器连接即可。
本实用新型提供的多模能量收集棒球棍可以收集棒球棍击球震动的能量并将其转化为电能储存在电量储存器，再用于为电子设备应急供电，绿色环保。
上述实施例的作用仅在于说明本实用新型的实质性内容，但并不以此为限定，本实用新型基础上的简单修改或替换不脱离本实用新型技术方案的实质和保护范围。

Claims (5)

1.一种多模能量收集棒球棍，包括棒球棍主体，其特征在于：棒球棍主体内自击打端至手柄端依次设有第一腔室、第二腔室、第三腔室和第四腔室，各腔室内壁设有绝缘保护层，第一、第二腔室内设有贯穿的悬臂梁，悬臂梁的固定端固定在第二腔室和第三腔室的连接处，悬臂梁的摆动端悬于第一腔室中；第一腔室内设有磁铁块和线圈，磁铁块固定在悬臂梁的摆动端，线圈分布在磁铁块的上下两侧，第二腔室内设有多个压电晶体，压电晶体固定在悬臂梁上；第三腔室内设有衔接电路，第四腔室内设有用于充电和放电的电量储存器，衔接电路包括AD/DC二极管整流器和DC/DC转换器，AD/DC二极管整流器的输出端与DC/DC转换器的输入端连接，DC/DC转换器的输出端与电量储存器的输入端连接；所述线圈、压电晶体的输出端与AD/DC二极管整流器的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的多模能量收集棒球棍，其特征在于：还包括控制器，控制器设于第三腔室内，并分别与DC/DC转换器、电量储存器连接。
3.根据权利要求1所述的多模能量收集棒球棍，其特征在于：所述电量储存器的输出端设有通用USB接口。
4.根据权利要求1所述的多模能量收集棒球棍，其特征在于：所述压电晶体为两个。
5.根据权利要求1或4所述的多模能量收集棒球棍，其特征在于：所述压电晶体为聚偏氟乙稀材质。
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