CN212063879U - 一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置，所述装置包括压电发电装置、太阳能发电装置、整流与稳压装置以及储能装置，可用于收集人体运动时手臂自然摆动产生的振动能量和户外运动时的太阳能，相较于现有设置，该装置具有以下优点：结合振动能回收与太阳能回收，使装置持续且高效；装置体积尽可能的小，实现真正的“便携”；宽频共振，同时吸收三个方向的振动；太阳能回收系统覆盖大部分表面，吸收范围更大；优化布局，实现恒久供电；压电片数量多，充分利用空间。

Description

一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置

技术领域

本实用新型实施例涉及能量采集与回收技术领域，具体涉及一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置。

背景技术

能源是现代社会经济发展的重要物质基础，是人类文明不断发展的保障。能源的使用量不断提高的同时，我们也面临着能源枯竭的问题。如何能够更有效地利用能源，回收使用过程中不必要损耗的能量一直是全世界关注的主题。充分利用能源，减少碳排放也有利于可持续发展。目前市面上低功率用电器(如便携式电子产品、传感器等)的主流供电方式是采用电化学电池供电，电化学电池的寿命有限，同时在废弃之后会带来环境污染的问题。振动能是生活中随处可见的能量，比如人体运动时手臂自然摆动产生的振动能量，在自然世界中分布十分广泛，如果能够利用回收振动能、太阳能等清洁能源代替电化学电池的作用将有助于解决以上所提及的两个问题。

得益于微电子技术的发展，低功率用电器的耗能逐步减小，利用回收到的振动能、太阳能等驱动低功率用电器的可行性不断增大。振动能的回收方式主要有三种：电磁式发电、静电式发电与压电式发电。传统的电磁式振动发电装置的内部构造各不相同，由于很难做到形成闭合磁路，振动利用率低，能量回收效率非常低；静电式发电同样存在效率太低的问题，对于回收人体运动所产生的振动能这一目标来说发电效果并不明显；相比而言，压电式发电效果更好，首先压电式材料在本项目的背景下更容易制作成便携装置，另外压电式由于不需要对磁场有要求避免了难以实现闭合磁路的问题，同时压电式发电的转化效率也很值得期待。对于便携式装置，可以利用压电式振动发电回收振动能，这是一种便捷高效的将振动能转化为电能的途径，具有结构简单、输出电压高、机电耦合系数大等优点。传统的压电发电装置为简单线性结构，能量仅能在谐振频率点附近被收集。压电发电技术近年来越来越多地受到关注，研究人员提出了多种改进版本的压电发电装置，这些发电装置都在一定程度上实现了回收能量的目的，但他们存在一个共性的问题：没有能够充分利用空间，同时回收多种形式的能量，这样就导致无法最大化回收效率的问题。在人们行走时，由于路面不平、人们自身的加减速、转向，都会引起人体的震动，从而产生振动能。虽说此类能量微弱，可如果可以合理并持续的收集，这无疑会产生不可忽视的作用。此外，震动是无法避免的，长久以来我们专注于收集太阳能而轻视了客观持续存在的震动能。如果可以通过同时收集太阳能和振动能去制造出一个具有持久续航功能且便携的装置，将有利于促进对能源回收这一课题的发展。

实用新型内容

为此，本实用新型实施例提供一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置，以解决现有的压电发电装置存在的能量回收效率低、无法回收多种形式的能量的问题。

为了实现上述目的，本实用新型实施例提供如下技术方案：一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置，所述装置包括压电发电装置、太阳能发电装置、整流与稳压装置以及储能装置，所述压电发电装置包括机壳以及设置在所述机壳内的多个并联的双晶压电片，所述太阳能发电装置包括多个并联的太阳能电池板，所述太阳能电池板分别设置在所述机壳的外表面上，所述双晶压电片通过整流与稳压装置连接储能装置，所述太阳能电池板连接储能装置。

进一步地，所述双晶压电片包括金属基板以及分别设置在金属基板两侧的一对极性相反的陶瓷压电片。

进一步地，所述金属基板一端通过导线连接至整流电路，另一端设置有质量块，所述金属基板两侧的一对陶瓷压电片通过导线连接，其中一侧的陶瓷压电片通过导线连接整流电路。

进一步地，所述陶瓷压电片采用PZT陶瓷压电片，所述金属基板采用铜板。

进一步地，所述机壳内设置有上中下三层双晶压电片，下层包括多个水平铺设在机壳底部悬臂梁上的压电片，中层包括多个竖直设置的压电片，上层包括多个水平设置的压电片。

进一步地，所述中层的压电片分为两组，两组压电片在竖直方向上相互垂直。

进一步地，所述整流与稳压装置包括整流电路和稳压电路，所述整流电路包括多个整流器，所述稳压电路包括稳压器，每个双晶压电片分别连接一个整流器后并联连接至稳压器。

进一步地，所述太阳板通过恒压电路连接储能装置。

进一步地，所述太阳能电池板与储能装置之间连接有二极管。

进一步地，所述储能装置包括H型法拉电容。

本实用新型实施例具有如下优点：

本实用新型实施例提出的一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置，所述装置包括压电发电装置、太阳能发电装置、整流与稳压装置以及储能装置，可用于收集人体运动时手臂自然摆动产生的振动能量和户外运动时的太阳能，相较于现有设置，该装置具有以下优点：结合振动能回收与太阳能回收，使装置持续且高效；装置体积尽可能的小，实现真正的“便携”；宽频共振，同时吸收三个方向的振动；太阳能回收系统覆盖大部分表面，吸收范围更大；优化布局，实现恒久供电；压电片数量多，充分利用空间。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本实用新型实施例1提供的一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1提供的一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置的另一结构示意图；

图3为本实用新型实施例1提供的一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置双晶压电片电路原理图；

图4为本实用新型实施例1提供的一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置中整流与稳压装置电路图；

图5为标准能量采集电路图；

图6为本实用新型实施例1提供的一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置中太阳能发电装置电路图。

图中：压电发电装置100、太阳能发电装置200、整流与稳压装置300、储能装置400、机壳110、双晶压电片120、金属基板121、陶瓷压电片122、恒压电路210、二极管220、整流器310、稳压器320。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

本实施例提出了一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置，该装置包括压电发电装置100、太阳能发电装置200、整流与稳压装置300以及储能装置400，可用于收集人体运动时手臂自然摆动产生的振动能量和户外运动时的太阳能。

如图1和图2所示，压电发电装置100包括机壳110以及设置在机壳110内的多个并联的双晶压电片120，每个双晶压电片120都是一端固定，另一端悬空设置。双晶压电片120包括金属基板121以及分别设置在金属基板121两侧的一对极性相反的陶瓷压电片122。金属基板121一端通过导线连接至整流电路，另一端设置有质量块，质量块设置在悬空端，可提高振动引起弯曲变形量。金属基板121两侧的一对陶瓷压电片122通过导线连接，其中一侧的陶瓷压电片122通过导线连接整流电路。

将压电片并联，可提高振动能量发电装置的发电能力，电路原理如图3所示，整个压电叠层的总输出电压U'与一个压电芯片产生的电压U'相同，总输出电容是单个压电芯片的两倍，即C'＝2C，板上的总电荷是单个压电芯片的两倍，即Q'＝2Q。

本实施例中，陶瓷压电片122采用PZT陶瓷压电片，金属基板121采用铜板，PZT陶瓷压电片尺寸为30mm*10mm*0.3mm，金属基板尺寸为50mm*10mm*0.1mm。常见的压电材料有单晶体，例如SiO2；陶瓷，例如锆钛酸铅(PZT)和钛酸钡(BTO)；薄膜，例如ZnO；以及高分子聚合物，例如聚偏二氟乙烯(PVDF)。相较于其他压电材料来说，PZT具有较高的机电耦合系数和较高的居里温度，这说明在较高的温度下，PZT仍然具有压电性能，除此之外PZT介电常数的取值范围较宽，因此其工作频率范围也比较大，因此装置选择PZT作为压电发电装置100的主要材料。

该装置在使用时佩戴在人体小臂正面手掌稍靠上的位置，人体运动时，小臂正面朝向并非与手臂动方向完全相同，而是偏向人体外侧方向，在实际应用中，压电发电装置100将同时受到来自前后、左右、上下三个方向的加速度激励，因此装置采用三层压电，同时收集来自前后、左右、上下三个方向的振动能。本实施例中，机壳110内设置有上中下三层双晶压电片120，下层包括多个水平铺设在机壳110底部悬臂梁上的压电片，中层包括多个竖直设置的压电片，上层包括多个水平设置的压电片。中层的压电片分为两组，两组压电片在竖直方向上相互垂直。下层和上层的发电片用于收集不同频率下上下方向振动产生的能量，中层的两组压电片分别用于收集来自前后及左右方向的不同频率下的振动能。本实施例中，上层和下层分别包括4个压电片，中层包括8片组和4片组。

双晶压电片120通过整流与稳压装置300连接储能装置400，如图4所示，整流与稳压装置300包括整流电路和稳压电路，整流电路包括多个整流器310，稳压电路包括稳压器320，每个双晶压电片120分别连接一个整流器310后并联连接至稳压器320。

考虑到压电发电采集装置在振动过程中输出的形式为交流电，不可直接为储能装置400输送电能，因此装置利用整流电路将产生的交流电转化为直流电。通过对压电片产生的交流电进行整流、滤波和稳压操作，以达到得出稳定电压的目的。通过对半波整流电路、全桥整流电流、标准能量采集电路以及倍压式整流电路的对比分析，装置最终选择转换效率较高、电路结构简单的标准能量采集电路作为压电系统的整流电路，电路如图5所示。

太阳能发电装置200包括多个并联的太阳能电池板，太阳能电池板分别设置在机壳110的外表面上。本实施例中，太阳能发电装置200共使用6片太阳能电池板，分别覆盖在装置的上表面与四周(其中上表面覆盖两片太阳能电池板，四周各覆盖一片太阳能电池板)，多晶太阳能电池板的实际尺寸为53*30mm，其工作电压为5V，工作电流为0-30mA，工作电流的大小具体取决于光照强度。

太阳能电池板连接储能装置400，具体的，如图6所示，太阳板通过恒压电路210连接储能装置400，太阳能电池板与储能装置400之间连接有二极管220。太阳能发电装置200采取最简便方式，直接利用太阳能电池板将太阳能转化为电能，并利用恒压电路对储能装置400进行充电，这种充电方式不必在充电过程中调节电流、充电时间短、能耗低、充电效率可达80％。除此之外各太阳能电池板之间增加二极管作为保护装置，防止在充电过程中储能装置400自身电压过高导致充电无法进行甚至反向输出电能。

本实施中，储能装置400采用H型法拉电容。使用法拉电容作为储能容器，法拉电容通过极化电解质来储能，但不发生化学反应，而且储能过程是可逆的，也正因如此法拉电容可以反复充放电数十万次。法拉电容的主要特点是充电速度快，循环使用寿命长，能量转化率高以及充电线路简单，而且法拉电容非常适合应用于能量充足、功率匮乏的能源比如太阳能，故而非常适合本装置。但同时，由于法拉电容耐压能力不高，实际使用中过压保护电路必不可少，以防止出现因为电容漏电而产生的击穿现象。通过太阳能发电装置200中设置的二极管可有效解决该问题。

通过测试单个压电片的性能，当单个压电片发生形变时，实测产生电压约1.6V～2.1V，电流约0.3mA～0.42mA，形变使电容两端电压增长0.0001V每秒，由此可得单个压电片功率约为0.8mW。压电发电装置100采用三个方向共19片压电片，当人以正常速度行进时，压电系统总体功率预计能达到8mW左右。

本实施例提出的一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置，装置包括压电发电装置100、太阳能发电装置200、整流与稳压装置300以及储能装置400，可用于收集人体运动时手臂自然摆动产生的振动能量和户外运动时的太阳能，相较于现有设置，该装置具有以下优点：结合振动能回收与太阳能回收，使装置持续且高效；装置体积尽可能的小，实现真正的“便携”；宽频共振，同时吸收三个方向的振动；太阳能回收系统覆盖大部分表面，吸收范围更大；优化布局，实现恒久供电；压电片数量多，充分利用空间。

实施例2

在上述实施例1的基础上，本实施例提供了一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置的样机，该样机尺寸为81.0mm*63.0mm*35.0mm，压电发电装置100共容纳上层2片压电片与中层4片压电片，整流与稳压装置300和储能装置400设置为外部电路，与样机分离。

经过检测实验表明，当人们以正常步态在晴天行走时(平均速度2km/h-8km/h)，实验样机的压电发电装置100可以产生1.6V-2.1V的电压，总体输出功率可以达到4.2mW，太阳能发电装置200产生电压约5V，总体输出功率约122mW。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置，其特征在于，所述装置包括压电发电装置、太阳能发电装置、整流与稳压装置以及储能装置，所述压电发电装置包括机壳以及设置在所述机壳内的多个并联的双晶压电片，所述太阳能发电装置包括多个并联的太阳能电池板，所述太阳能电池板分别设置在所述机壳的外表面上，所述双晶压电片通过整流与稳压装置连接储能装置，所述太阳能电池板连接储能装置。

2.根据权利要求1所述的一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置，其特征在于，所述双晶压电片包括金属基板以及分别设置在金属基板两侧的一对极性相反的陶瓷压电片。

3.根据权利要求2所述的一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置，其特征在于，所述金属基板一端通过导线连接至整流电路，另一端设置有质量块，所述金属基板两侧的一对陶瓷压电片通过导线连接，其中一侧的陶瓷压电片通过导线连接整流电路。

4.根据权利要求3所述的一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置，其特征在于，所述陶瓷压电片采用PZT陶瓷压电片，所述金属基板采用铜板。

5.根据权利要求1所述的一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置，其特征在于，所述机壳内设置有上中下三层双晶压电片，下层包括多个水平铺设在机壳底部悬臂梁上的压电片，中层包括多个竖直设置的压电片，上层包括多个水平设置的压电片。

6.根据权利要求5所述的一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置，其特征在于，所述中层的压电片分为两组，两组压电片在竖直方向上相互垂直。

7.根据权利要求1所述的一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置，其特征在于，所述整流与稳压装置包括整流电路和稳压电路，所述整流电路包括多个整流器，所述稳压电路包括稳压器，每个双晶压电片分别连接一个整流器后并联连接至稳压器。

8.根据权利要求1所述的一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置，其特征在于，所述太阳能电池板通过恒压电路连接储能装置。

9.根据权利要求8所述的一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置，其特征在于，所述太阳能电池板与储能装置之间连接有二极管。

10.根据权利要求1所述的一种佩戴在小臂上的能量回收发电装置，其特征在于，所述储能装置包括H型法拉电容。

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