CN211670796U - 一种复合振动能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种复合振动能量收集装置包括基座、下部组件、上部组件以及弹性组件，下部组件固定安装在所述基座顶部，弹性组件穿过下部组件与基座固定连接，上部组件设置在下部组件顶部与弹性组件固定连接，上部组件和下部组件对应位置设置摩擦发电结构，上部组件设置压电发电结构，当振动源引起所述基座振动时，弹性组件带动上部组件运动，上部组件和下部组件对应的摩擦发电结构摩擦碰撞发电，上部组件的压电发电结构发生形变发电。所述复合振动能量收集装置在相同振动源的激励下，两种发电方式同时产生作用，多个振动能量收集结构同时工作，有效提高了振动能量的收集效率，能够获得更多的电能量。
Description
技术领域
本实用新型涉及能量收集装置技术领域，更准确的说涉及一种基于摩擦和压电机理的复合振动能量收集装置。
背景技术
随着近年来大规模分布式无线传感系统以及微功率器的快速发展，传统的化学电池供能方式虽然能够在一定程度上满足需求，但是其显现的弊端也越来越明显，比如体积较大，寿命有限，需要定期更换等问题日益显著。为了寻求化学电池供能方式的替换方案，如何利用环境中的振动能量提供实时电能供给便成了当前国内外的一个研究热点。
根据工作原理的不同进行区分，用于收集环境振动能量的装置目前主要有电磁式、静电式、压电式以及摩擦发电等形式。其中，压电式相对于其他类型的能量收集装置具有结构简单、不发热、无电磁干扰、绿色环保以及易于微型化等优点，因此，压电式能量收集装置引起广泛关注和研究。压电式能量收集装置只有处于共振状态下才具有较高的能量转换效率，但是环境的振动频率是在一定的范围内变化的，因此压电式能量收集装置普遍存在发电效率较低的情况，这也严重制约了压电式能量采集装置的大规模应用。提高压电式能量采集装置的发电效率是当前迫切需要解决的问题。摩擦发电是通过两种摩擦电性相反的材料相互摩擦来产生电力。借助一种分离技术，当摩擦发生时，两层摩擦材料之间产生电荷分离并形成电势差，经由外部电路即可形成电流。单一的摩擦发电产生的电能有限，难以满足实际需求。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种复合振动能量收集装置，包括基座、与基座连接的下部组件、穿过下部组件与基座连接的弹性组件以及与弹性组件连接的上部组件，上部组件和下部组件对应位置设置摩擦发电结构，上部组件设置压电发电结构，在基座振动时，上部组件运动形变，同时通过摩擦发电和压电发电两种形式产生电能。
为了达到上述目的，本实用新型提供一种复合振动能量收集装置，包括基座、下部组件、上部组件以及弹性组件，所述基座安装在振动源上或放置在振动源附近；所述下部组件固定安装在所述基座顶部，所述弹性组件穿过所述下部组件与所述基座固定连接，所述上部组件设置在所述下部组件顶部与所述弹性组件固定连接；所述上部组件和所述下部组件对应位置设置摩擦发电结构，所述上部组件设置压电发电结构；当振动源引起所述基座振动时，所述弹性组件带动所述上部组件振动，所述上部组件和所述下部组件对应的摩擦发电结构反复碰撞发电，所述上部组件的压电发电结构发生形变发电。
优选地，所述下部组件包括下支撑板、中摩擦组件以及若干个边摩擦组件，所述下支撑板与所述基座固定连接，所述中摩擦组件固定设置在所述下支撑板中部，所述弹性组件穿过所述中摩擦组件及所述下支撑板与所述基座连接，若干个所述边摩擦组件固定设置在所述下支撑板的边部；所述上部组件包括上支撑片、若干个压电组件以及若干个摩擦质量块，所述弹性组件与所述上支撑片中部固定连接，且所述上支撑片位于所述中摩擦组件顶部，所述压电组件一端与所述上支撑片的边部连接，另一端位于所述边摩擦组件顶部，所述摩擦质量块与所述边摩擦组件垂直对齐，且所述摩擦质量块固定连接在所述压电组件底部。
优选地，所述中摩擦组件包括中间下电极和中间下摩擦片，所述中间下电极固定设置在所述下支撑板中部，所述中间下摩擦片固定设置在所述中间下电极顶部，所述上支撑片与所述中间下摩擦片垂直对齐。
优选地，所述上支撑片与所述中间下摩擦片之间的距离为0.3毫米。
优选地，所述边摩擦组件包括边部下电极和边部下摩擦片，所述边部下电极固定设置在所述下支撑板边部，所述边部下摩擦片固定设置在所述边部下电极顶部，所述摩擦质量块与所述边部下摩擦片垂直对齐。
优选地，所述压电组件包括边部上电极、PVDF悬臂梁以及聚酯PET基板，所述聚酯PET基板一端与所述上支撑片的边部连接，另一端位于所述边摩擦组件顶部；所述摩擦质量块与所述边摩擦组件垂直对齐，且所述摩擦质量块固定连接在所述聚酯PET基板底部；所述PVDF悬臂梁固定连接在所述聚酯PET基板顶部，所述边部上电极固定连接在所述PVDF悬臂梁顶部。
优选地，所述基座包括底座和套筒，所述套筒垂直设置在所述底座顶部，所述下部组件与所述套筒顶部固定连接，所述下部组件与所述底座平行，所述弹性组件穿过所述下部组件与所述基座连接，且所述弹性组件穿入所述套筒内部。
优选地，所述弹性组件包括弹簧、下柱状块和上柱状块，所述弹簧同轴设置在所述套筒内部，所述弹簧底部与所述底座连接，所述弹簧顶部固定连接所述下柱状块，所述下柱状块穿过所述下部组件连接所述上部组件的底面，所述上柱状块从所述上部组件的顶面与所述下柱状块固定连接，夹紧固定所述上部组件。
与现有技术相比，本实用新型公开的一种复合振动能量收集装置的优点在于：通过所述复合振动能量收集装置，能够在相同振动源的激励下，两种发电方式同时产生作用，多个振动能量收集结构同时工作，有效提高了振动能量的收集效率，能够获得更多的电能量。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本实用新型一种复合振动能量收集装置的结构示意图。
图2所示为本实用新型一种复合振动能量收集装置的正视图。
图3所示为本实用新型一种复合振动能量收集装置的正剖视图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型一种复合振动能量收集装置包括基座10、下部组件20、上部组件30以及弹性组件40，所述基座10安装在振动源上或放置在振动源附近，所述下部组件20固定安装在所述基座10顶部，所述弹性组件40穿过所述下部组件20与所述基座10固定连接，所述上部组件30设置在所述下部组件20顶部与所述弹性组件40固定连接。所述上部组件30和所述下部组件20对应位置设置摩擦发电结构，所述上部组件30设置压电发电结构，当振动源引起所述基座10振动时，所述弹性组件40带动所述上部组件30运动，所述上部组件20和所述下部组件20对应的摩擦发电结构摩擦碰撞发电，所述上部组件20的压电发电结构发生形变发电。
参见图2，所述基座10包括底座11和套筒12，所述套筒12垂直设置在所述底座11顶部，所述下部组件20与所述套筒12顶部固定连接，所述下部组件20与所述底座11平行，所述弹性组件40穿过所述下部组件20与所述基座10连接，且所述弹性组件40穿入所述套筒12内部。
所述下部组件20包括下支撑板21、中摩擦组件22以及若干个边摩擦组件23。所述下支撑板21与所述套筒12顶部固定连接，所述下支撑板21与所述底座11平行。所述中摩擦组件22固定设置在所述下支撑板21中部，所述弹性组件40穿过所述中摩擦组件22及所述下支撑板21与所述基座10连接，且所述弹性组件40能够自由的上下运动。若干个所述边摩擦组件23固定设置在所述下支撑板21的边部。其中，所述下支撑板21的材料优选聚酯PET。所述上部组件30包括上支撑片31、若干个压电组件32以及若干个摩擦质量块33。所述弹性组件40与所述上支撑片31中部固定连接，且所述上支撑片31位于所述中摩擦组件22顶部，所述上支撑片31与所述下支撑板21平行。所述压电组件32一端与所述上支撑片31的边部连接，另一端位于所述边摩擦组件23顶部，且所述压电组件32与所述下支撑板21平行。所述摩擦质量块33与所述边摩擦组件23垂直对齐，且所述摩擦质量块33固定连接在所述压电组件32底部。若干个所述压电组件32分别与所述上支撑片31的边部连接，且若干所述压电组件32分别与若干个所述边摩擦组件23对应设置。优选的，所述上支撑片31采用铜材料。所述上支撑片31和所述中摩擦组件22的间距较小，设置为0.3毫米左右。
图示中所述上部组件30包括4个均匀分布的所述压电组件32，所述下部组件20包括4个对应设置的边摩擦组件23。根据实际需求，可以设置不限于4个的所述压电组件32及所述边摩擦组件23组合结构。
具体的，所述压电组件32包括边部上电极321、PVDF悬臂梁322以及聚酯PET基板323。所述聚酯PET基板323一端与所述上支撑片31的边部连接，另一端位于所述边摩擦组件23顶部，所述摩擦质量块33与所述边摩擦组件23垂直对齐，且所述摩擦质量块33固定连接在所述聚酯PET基板323底部。所述PVDF悬臂梁322固定连接在所述聚酯PET基板323顶部，所述边部上电极321固定连接在所述PVDF悬臂梁322顶部。
所述中摩擦组件22包括中间下电极221和中间下摩擦片222，所述中间下电极221固定设置在所述下支撑板21中部，所述中间下摩擦片222固定设置在所述中间下电极221顶部，所述弹性组件40穿过所述中间下摩擦片222、所述中间下电极221及所述支撑板21与所述基座10连接，且所述弹性组件40能够上下运动。所述边摩擦组件23包括边部下电极231和边部下摩擦片232，所述边部下电极231固定设置在所述下支撑板21边部，所述边部下摩擦片232固定设置在所述边部下电极231顶部。优选的，所述中间下摩擦片222和所述边部下摩擦片232均采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)摩擦材料，所述中间下电极221和所述边部下电极231均采用铜材料。
如图3所示，所述弹性组件40包括弹簧41、下柱状块42和上柱状块43。所述弹簧41同轴设置在所述套筒12内部，所述弹簧41底部与所述底座11连接，所述弹簧41顶部固定连接所述下柱状块42，所述下柱状块42穿过所述下支撑板21及所述中摩擦组件22连接所述上支撑片31的底面，所述上柱状块43从所述上支撑片31的顶面与所述下柱状块42固定连接，夹紧固定所述上支撑片31。具体的，所述上柱状块43通过螺钉431与所述下柱状块42固定连接，所述螺钉穿透所述上柱状块43及所述上支撑片31与所述下柱状块42的顶端螺旋连接，实现所述上柱状块43与所述下柱状块42的固定连接。
所述复合振动能量收集装置的工作过程如下：当周围环境振动源引起所述基座10振动时，所述套筒12内的所述弹簧41相应产生振动。所述弹簧41带动所述上支撑片31振动，由于所述上支撑片31和所述中间下摩擦片222的间距很小，使得所述上支撑片31和所述中间下摩擦片222产生碰撞。所述上支撑片31为铜材料，容易失去电子，所述中间下摩擦片222的材料为PDMS，容易获得电子，当所述上支撑片31和所述中间下摩擦片222发生碰撞摩擦时，在接触面间发生电子转移，形成了摩擦电荷，当具有相反电荷的两个接触表面分开时便形成电势差，使用导线连接两个感应电极，从而在外电路产生瞬间电流。当所述上支撑片31振动时，所述聚酯PET基板323便产生相应振动所述PVDF悬臂梁322随着产生振动，发生弯曲变形，从而利用PVDF压电材料的正压电效应产生电能。同时，所述摩擦质量块33产生振动，并与相对布置的所述边部下摩擦片232发生碰撞摩擦，将摩擦机械能转化为电能。
综上，通过所述复合振动能量收集装置，能够在相同振动源的激励下，通过摩擦发电和压电发电两种方式同时产生作用，多个振动能量收集结构同时工作，有效提高了振动能量的收集效率，能够获得更多的电能量。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种复合振动能量收集装置，其特征在于，包括基座、下部组件、上部组件以及弹性组件，所述基座安装在振动源上或放置在振动源附近；所述下部组件固定安装在所述基座顶部，所述弹性组件穿过所述下部组件与所述基座固定连接，所述上部组件设置在所述下部组件顶部与所述弹性组件固定连接；所述上部组件和所述下部组件对应位置设置摩擦发电结构，所述上部组件设置压电发电结构；当振动源引起所述基座振动时，所述弹性组件带动所述上部组件振动，所述上部组件和所述下部组件对应的摩擦发电结构反复碰撞发电，所述上部组件的压电发电结构发生形变发电。
2.如权利要求1所述的复合振动能量收集装置，其特征在于，所述下部组件包括下支撑板、中摩擦组件以及若干个边摩擦组件，所述下支撑板与所述基座固定连接，所述中摩擦组件固定设置在所述下支撑板中部，所述弹性组件穿过所述中摩擦组件及所述下支撑板与所述基座连接，若干个所述边摩擦组件固定设置在所述下支撑板的边部；所述上部组件包括上支撑片、若干个压电组件以及若干个摩擦质量块，所述弹性组件与所述上支撑片中部固定连接，且所述上支撑片位于所述中摩擦组件顶部，所述压电组件一端与所述上支撑片的边部连接，另一端位于所述边摩擦组件顶部，所述摩擦质量块与所述边摩擦组件垂直对齐，且所述摩擦质量块固定连接在所述压电组件底部。
3.如权利要求2所述的复合振动能量收集装置，其特征在于，所述中摩擦组件包括中间下电极和中间下摩擦片，所述中间下电极固定设置在所述下支撑板中部，所述中间下摩擦片固定设置在所述中间下电极顶部，所述上支撑片与所述中间下摩擦片垂直对齐。
4.如权利要求3所述的复合振动能量收集装置，其特征在于，所述上支撑片与所述中间下摩擦片之间的距离为0.3毫米。
5.如权利要求2所述的复合振动能量收集装置，其特征在于，所述边摩擦组件包括边部下电极和边部下摩擦片，所述边部下电极固定设置在所述下支撑板边部，所述边部下摩擦片固定设置在所述边部下电极顶部，所述摩擦质量块与所述边部下摩擦片垂直对齐。
6.如权利要求2所述的复合振动能量收集装置，其特征在于，所述压电组件包括边部上电极、PVDF悬臂梁以及聚酯PET基板，所述聚酯PET基板一端与所述上支撑片的边部连接，另一端位于所述边摩擦组件顶部；所述摩擦质量块与所述边摩擦组件垂直对齐，且所述摩擦质量块固定连接在所述聚酯PET基板底部；所述PVDF悬臂梁固定连接在所述聚酯PET基板顶部，所述边部上电极固定连接在所述PVDF悬臂梁顶部。
7.如权利要求1所述的复合振动能量收集装置，其特征在于，所述基座包括底座和套筒，所述套筒垂直设置在所述底座顶部，所述下部组件与所述套筒顶部固定连接，所述下部组件与所述底座平行，所述弹性组件穿过所述下部组件与所述基座连接，且所述弹性组件穿入所述套筒内部。
8.如权利要求7所述的复合振动能量收集装置，其特征在于，所述弹性组件包括弹簧、下柱状块和上柱状块，所述弹簧同轴设置在所述套筒内部，所述弹簧底部与所述底座连接，所述弹簧顶部固定连接所述下柱状块，所述下柱状块穿过所述下部组件连接所述上部组件的底面，所述上柱状块从所述上部组件的顶面与所述下柱状块固定连接，夹紧固定所述上部组件。
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| CN114103667B (zh) * | 2021-12-27 | 2024-02-20 | 广西鑫昊新能源科技集团有限公司 | 一种电动汽车储能装置以及能源监控系统 |
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