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基于壓電靜電的復合式振動能量收集器.pdf

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基于 壓電 靜電 復合 振動 能量 收集
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摘要
申請專利號:

CN201210016068.X

申請日:

2012.01.18

公開號:

CN102545692B

公開日:

2015.01.07

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效號牌文件類型代碼:1604號牌文件序號:101322510546IPC(主分類):H02N 2/18專利申請號:201210016068X申請日:20120118|||公開
IPC分類號: H02N2/18 主分類號: H02N2/18
申請人: 廈門大學; 江蘇奧力威傳感高科股份有限公司
發明人: 傘海生; 鄧志強; 趙山華
地址: 361005 福建省廈門市思明南路422號
優先權:
專利代理機構: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙) 35200 代理人: 馬應森;劉勇
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210016068.X

授權公告號:

102545692B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.07|||2012.09.05|||2012.07.04

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

基于壓電靜電的復合式振動能量收集器,涉及一種振動能量收集裝置。提供一種可實現對環境振動能量的自適應、高效率和寬頻帶收集,并且可實現自供能的基于壓電靜電的復合式振動能量收集器設有支架、質量塊、鏤空連接板、上電容極板、下電容極板、壓電片組和能量收集電路;或設有支架、質量塊、鏤空連接板、上電容極板、下電容極板、壓電片組和能量收集電路。

權利要求書

1.基于壓電靜電的復合式振動能量收集器,其特征在于設有支架、質量塊、鏤空連接板、
上電容極板、下電容極板、壓電片組和能量收集電路;
質量塊設于支架中央并且通過鏤空連接板與支架固為一體;鏤空連接板設有至少2個L
形鏤空槽,以質量塊中心線為基準,各鏤空槽圍繞在質量塊周邊并且為對稱設置;上電容極
板固于支架上部并且位于質量塊上方;下電容極板固于質量塊上端并且與上電容極板面對;
壓電片組設有至少4片壓電片,各片壓電片設于鏤空連接板上,以質量塊中心線為基準,各
片壓電片圍繞在質量塊周邊并且為對稱設置;能量收集電路設有整流電路、濾波電容、第一
開關、第二開關、能量儲存電容和至少4對電極;每片壓電片均設1對電極,每對電極串聯
后形成壓電交流電源,壓電交流電源輸出端接整流電路輸入端,整流電路輸出端接濾波電容
輸入端,濾波電容輸出端經第一開關接上電容極板和下電容極板,上電容極板和下電容極板
的輸出端經第二開關接能量儲存電容輸入端,能量儲存電容輸出端外接負載。
2.如權利要求1所述的基于壓電靜電的復合式振動能量收集器,其特征在于所述支架為
矩形框架,所述質量塊和鏤空連接板與矩形框架為一體式結構。
3.如權利要求1所述的基于壓電靜電的復合式振動能量收集器,其特征在于所述每對電
極均由Pt電極和Au電極組成。
4.如權利要求1所述的基于壓電靜電的復合式振動能量收集器,其特征在于所述整流電
路為橋式整流電路。
5.如權利要求1所述的基于壓電靜電的復合式振動能量收集器,其特征在于所述第一開
關和第二開關均為二極管開關。
6.如權利要求1所述的基于壓電靜電的復合式振動能量收集器,其特征在于所述鏤空連
接板設有4個L形鏤空槽。
7.基于壓電靜電的復合式振動能量收集器,其特征在于設有支架、質量塊、鏤空連接板、
上電容極板、下電容極板、壓電片組和能量收集電路;
質量塊設于支架中央并且通過鏤空連接板與支架固為一體;鏤空連接板設有至少2個L
形鏤空槽,以質量塊中心線為基準,各鏤空槽為對稱設置;上電容極板固于支架上部并且位
于質量塊上方;下電容極板固于質量塊上端并且與上電容極板面對;壓電片組設有至少4片
壓電片,各片壓電片設于鏤空連接板上,以質量塊中心線為基準,各片壓電片為對稱設置;
能量收集電路設有整流電路、濾波電容、第一開關、第二開關、能量儲存電容、至少4對電
極以及電容極板啟動電源;每片壓電片均設1對電極,每對電極串聯后形成壓電交流電源,
壓電交流電源輸出端外接負載,電容極板啟動電源輸出端經第一開關接上電容極板和下電容
極板,上電容極板和下電容極板的輸出端經第二開關接能量儲存電容輸入端,能量儲存電容
輸出端外接負載。
8.如權利要求7所述的基于壓電靜電的復合式振動能量收集器,其特征在于所述支架為
矩形框架,所述質量塊和鏤空連接板最好與矩形框架為一體式結構。
9.如權利要求7所述的基于壓電靜電的復合式振動能量收集器,其特征在于所述電容極
板啟動電源采用電池或通過適配器外接市電。
10.如權利要求7所述的基于壓電靜電的復合式振動能量收集器,其特征在于所述每對
電極均由Pt電極和Au電極組成;所述整流電路為橋式整流電路;所述第一開關和第二開關
均為二極管開關;所述鏤空連接板設有4個L形鏤空槽。

說明書

基于壓電靜電的復合式振動能量收集器

技術領域

本發明涉及一種振動能量收集裝置,尤其是涉及一種基于壓電靜電的復合式振動能量收
集器。

背景技術

在現代社會,環境能量收集技術一直都是很熱門的研究課題,環境中的風能,太陽能,
振動能量等都是綠色能源,在能量緊缺的今天,開發這些能量顯得尤為重要。由于振動能量
無處不在,因此基于振動能量的收集技術成為研究的重點。目前,振動能量采集技術主要基
于以下三種方式:電磁式、靜電式(也稱電容式)和壓電式。

電磁式振動能量收集器輸出電壓較低,而靜電式和壓電式輸出電壓較高,是振動換能的
理想方式。然而,靜電式工作時需要提供一個外部的初始啟動電壓源或電荷源,這樣導致能
源消耗,無法實現自供能。

傳統的振動能量收集器通常被設計成線性振動結構(因線性振動結構的設計比較容易實
現),其工作頻率被固定在一個特別激發的共振頻率點上。當外部振動頻率偏離振動能量收集
器的共振頻率時,振動能量收集器的能量收集效率將急劇下降。由于現實環境振動的多樣性,
通常具有寬頻譜能量特征和隨機振動特性,而且大部分振動能量處于低頻狀態(例如頻率在
10Hz左右的人體運動和車、船等的振動),因此,振動能量收集如何與多樣性的環境振動頻
率相適應以提高能量的收集效率是目前面臨的根本問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種可實現對環境振動能量的自適應、高效率和寬頻帶收集,并且
可實現自供能的基于壓電靜電的復合式振動能量收集器。

為實現上述目的,本發明采用可下述兩個技術方案。

本發明的第一技術方案如下:

本發明設有支架、質量塊、鏤空連接板、上電容極板、下電容極板、壓電片組和能量收
集電路;

質量塊設于支架中央并且通過鏤空連接板與支架固為一體;鏤空連接板設有至少2個L
形鏤空槽,以質量塊中心線為基準,各鏤空槽為對稱設置;上電容極板固于支架上部并且位
于質量塊上方;下電容極板固于質量塊上端并且與上電容極板面對;壓電片組設有至少4片
壓電片,各片壓電片設于鏤空連接板上,以質量塊中心線為基準,各片壓電片為對稱設置;
能量收集電路設有整流電路、濾波電容、第一開關、第二開關、能量儲存電容和至少4對電
極;每片壓電片均設1對電極,每對電極串聯后形成壓電交流電源,壓電交流電源輸出端接
整流電路輸入端,整流電路輸出端接濾波電容輸入端,濾波電容輸出端經第一開關接上電容
極板和下電容極板,上電容極板和下電容極板的輸出端經第二開關接能量儲存電容輸入端,
能量儲存電容輸出端外接負載。

所述支架最好為矩形框架,所述質量塊和鏤空連接板與矩形框架為一體式結構。

所述每對電極可由Pt電極和Au電極組成。

所述整流電路優選橋式整流電路。

所述第一開關和第二開關均優選二極管開關。

所述鏤空連接板最好設有4個L形鏤空槽。

本發明的第二技術方案如下:

本發明設有支架、質量塊、鏤空連接板、上電容極板、下電容極板、壓電片組和能量收
集電路;

質量塊設于支架中央并且通過鏤空連接板與支架固為一體;鏤空連接板設有至少2個L
形鏤空槽,以質量塊中心線為基準,各鏤空槽為對稱設置;上電容極板固于支架上部并且位
于質量塊上方;下電容極板固于質量塊上端并且與上電容極板面對;壓電片組設有至少4片
壓電片,各片壓電片設于鏤空連接板上,以質量塊中心線為基準,各片壓電片為對稱設置;
能量收集電路設有整流電路、濾波電容、第一開關、第二開關、能量儲存電容、至少4對電
極以及電容極板啟動電源;每片壓電片均設1對電極,每對電極串聯后形成壓電交流電源,
壓電交流電源輸出端外接負載,電容極板啟動電源輸出端經第一開關接上電容極板和下電容
極板,上電容極板和下電容極板的輸出端經第二開關接能量儲存電容輸入端,能量儲存電容
輸出端外接負載。

所述支架最好為矩形框架,所述質量塊和鏤空連接板與矩形框架為一體式結構。

所述每對電極可由Pt電極和Au電極組成。

所述整流電路優選橋式整流電路。

所述第一開關和第二開關均優選二極管開關。

所述鏤空連接板最好設有4個L形鏤空槽。

所述電容極板啟動電源可直接采用外部的直流電源。如采用電池或通過適配器外接市電。

與現有技術比較,本發明有益效果如下:

使用時,將支架放置于振動源處,支架接收振動能量,由于鏤空連接板具有彈性,這樣
鏤空連接板會帶動質量塊作上下振動位移。上電容極板(固定式電容極板)與下電容極板(可
動式電容極板)構成了一個可變電容。下電容極板固于質量塊上端,當下電極板隨質量塊運
動到最上方時,可變電容達到最大值,第一開關閉合,此階段壓電片產生的電壓給可變電容
充電,充電結束后,電容電量達到最大值,第一開關斷開;當下電容極板隨質量塊開始下降
時,可變電容的電容值減小,而可變電容的電量保持不變,則可變電容兩端的電壓開始上升,
當可變電容達到最小值時,可變電容上的電壓達到最大值。此時第二開關閉合,可變電容對
外部電路順時放電,實現能量轉換;下電容極板運動到最低位置后,又開始重新向上運動,
完成一個機械振動周期。

本發明采用第一技術方案時,上電容極板與下電容極板構成的可變電容可通過壓電交流
電源實現自供能。本發明采用第二技術方案時,上電容極板與下電容極板構成的可變電容也
可通過電容極板啟動電源(外設電源,如電池或通過適配器外接市電)供能。

由此可見,本發明利用壓電片受振動變形發生壓電效應,從而形成壓電交流電源,這樣
可實現能量收集(機械能轉換為電能),并對外輸出。本發明具有結構簡單、對環境振動能
量自適應、高效率和寬頻帶收集振動能量,并且可實現自供能等突出優點。本發明實際應用
時,支架、質量塊、鏤空連接板等的尺寸均可根據需要設計,從而具有不同的共振頻率,這
樣才能適應多樣性的環境振動頻率,輸出穩定的功率,實現能量的寬頻帶收集,可以實現線
性或非線性的環境振動能量的寬頻帶收集。本發明可以被制造成微米級器件。

附圖說明

圖1為本發明實施例1的結構示意圖。

圖2為圖1的A-A剖視圖。

圖3為圖1的B-B剖視圖(即鏤空連接板和質量塊的剖面結構示意圖)。

圖4為圖1的C-C剖視圖。

圖5為本發明實施例2的鏤空連接板和質量塊的剖面結構示意圖。

圖6為本發明實施例3的結構示意圖。

具體實施方式

實施例1

參見圖1~4,本發明設有支架1、質量塊2、鏤空連接板6、上電容極板5、下電容極板
4、壓電片組和能量收集電路。

支架1為矩形框架。質量塊2設于支架1中央并且通過鏤空連接板6與支架1固為一體
(質量塊和鏤空連接板與矩形框架為一體式結構)。鏤空連接板6設有4個L字形鏤空槽61~
64,以質量塊2中心線為基準,各鏤空槽內外圍繞在質量塊2周邊并且為對稱設置。上電容
極板5固于支架1上部并且位于質量塊2上方。下電容極板4固于質量塊2上端并且與上電
容極板5面對。壓電片組設有4片壓電片12,各片壓電片12設于鏤空連接板6上,以質量
塊2中心線為基準,各片壓電片圍繞在質量塊2周邊并且為對稱設置。能量收集電路設有橋
式整流電路7、濾波電容C、第一二極管開關SW1、第二二極管開關SW2、能量儲存電容Cs
和4對電極(電極為Pt與Au電極)。每片壓電片12均設1對電極,每對電極串聯后形成壓
電交流電源,壓電交流電源輸出端接橋式整流電路輸入端,橋式整流電路7輸出端接濾波電
容C輸入端,濾波電容C輸出端經第一二極管開關SW1接上電容極板5和下電容極板4。上
電容極板5和下電容極板4的輸出端經第二二極管開關SW2接能量儲存電容Cs輸入端,能
量儲存電容輸出端Cs外接負載R。

實施例2

參見圖5,與實施例1類似,區別僅在于:鏤空連接板6′所設的4個L字形鏤空槽61′~
64′是交錯圍繞在質量塊2周邊,仍然為對稱設置。

實施例3

參見圖6,與實施例1類似,區別在于:每對電極串聯后形成的壓電交流電源直接外接負
載8。上電容極板5與下電容極板4構成的可變電容是通過電容極板啟動電源9(外設電源,如
電池或通過適配器外接市電)供能。圖6中的其余標號與圖1對應一致。

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