[發(fā)明專利]基于動力吸振器的壓電振動能量收集裝置

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010130519.3
• 申請日: 2010-03-24
• 公開（公告）號: CN101741278A
• 公開（公告）日: 2010-06-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉海利;陳加浪;王兆強;陳大躍;陽天亮;徐天柱
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種能源利用技術(shù)領(lǐng)域的裝置，尤其涉及的是一種基于動力吸振器的壓電 振動能量收集裝置。

背景技術(shù)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)、微機電系統(tǒng)和個人移動設(shè)備等微小機電系統(tǒng)有個共同特點：能量消耗很低， 從幾個μW到幾百mW，但要求使用時間很長，非常關(guān)鍵的是由于使用條件的限制它們一般不能 用電力線進行能量供應，目前的電池供能方式存在體積大、壽命短等缺點，而采用太陽能、熱 梯度等能量進行供電則需要在有相應的陽光或熱梯度的環(huán)境中進行，這限制了他們的應用。

環(huán)境中存在豐富的振動形式的能量，將這些能量收集起來為上述微小機電系統(tǒng)供電成為一 種很好的選擇。壓電材料是一種可以實現(xiàn)機電能量互換的智能材料，當受到交變應力時便會產(chǎn) 生源源不斷的電能，它可以將振動的能量轉(zhuǎn)換為電能。現(xiàn)在常用的壓電材料有壓電陶瓷和壓電 聚合物以及它們的復合物等，其中壓電陶瓷的機電轉(zhuǎn)換效率較高，是進行能量收集的優(yōu)選材料。 壓電陶瓷常用的發(fā)電振動方式為采用電場垂直于長度的長度伸縮模(壓電常數(shù)為d₃₁)、電場平 行于波傳播方向的厚度伸縮模(壓電常數(shù)為d₃₃)和電場平行于波傳播方向的厚度剪切模(壓 電常數(shù)為d₁₅)，其中：d₃₃約為d₃₁的2～3倍，而d₁₅約為d₃₁的3～4倍。根據(jù)應用場合采用合適 的工作模式能夠提高壓電陶瓷的機電轉(zhuǎn)換的效率。在特定的工作模式下要使壓電材料產(chǎn)生多的 電量就要施加大的應力或者使壓電材料產(chǎn)生大的形變，由于振動元件的變形不會很大，因而不 能靠振動元件的彎曲變形來驅(qū)動壓電材料發(fā)電。壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)常被用來進行振動能量收集， 但其一般只適合于100Hz以下的振動。壓電疊堆是將多片壓電片層疊在一起并在電路上進行串 聯(lián)或并聯(lián)或者部分串聯(lián)、部分并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，它主要利用壓電常數(shù)較高的d₃₃，壓電片電路上串聯(lián) 可以提高輸出電壓，并聯(lián)可以提高輸出電流，可以根據(jù)實際收集電路對電壓電流的要求進行串、 并聯(lián)設(shè)計，在同樣大小的外部力作用下，對于同樣大小的壓電片，層疊的片數(shù)越多產(chǎn)生電量就 越大，但片數(shù)過多增加了體積和成本，需要在實際用電量需求、應用空間要求及配置成本要求 間進行權(quán)衡。通過對壓電疊堆內(nèi)壓電片電路上的串并聯(lián)設(shè)計，使其在增加壓電材料長度和受力 面積的同時使壓電材料發(fā)電時的內(nèi)部阻抗不增加或增加很小，以便于實現(xiàn)與外電路的阻抗匹 配。目前，用壓電疊堆進行能量收集的方法主要是將其嵌于振動元件中，使其兩面受到等同的 壓(拉)力從而產(chǎn)生電能。如果只是將壓電疊堆粘貼于振動元件表面，壓電換能器的長度要等 于四分之一波長的倍數(shù)，這會使壓電材料在較低頻率下尺寸過長，比如在5kHz下壓電材料需 要近21cm，因而這種方式只適用于幾十千赫到上百千赫的頻段。在壓電疊堆上面附加一定的質(zhì) 量塊再粘貼于振動元件上可以構(gòu)成具有一定共振頻率的彈簧質(zhì)子結(jié)構(gòu)，在這一共振頻率附近電 能轉(zhuǎn)換效率很高，但是由于壓電陶瓷很硬(剛度高)，對于幾百赫茲的振動就需要上百公斤的 質(zhì)量塊，更難于應用于50Hz以下的頻段，而且壓電陶瓷受到較大的靜態(tài)壓縮力后壓電系數(shù)會 有一定的下降，使得機電轉(zhuǎn)換效率變得很低，因而這種結(jié)構(gòu)也很難應用。

經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國發(fā)明專利公告號：CN1258866，名稱：壓電產(chǎn)生裝置， 該裝置包括由兩個板形的壓電陶瓷元件形成的壓電陶瓷板，它們是分層的和以反極化彼此接合 的，其中借助用硬拍打器拍打壓電陶瓷板的一面或兩面，從而激勵在壓電陶瓷板中的撓曲振動 來產(chǎn)生電。由于拍打器一次拍打發(fā)電的時間是短暫的，需要拍打器持續(xù)的拍打才能產(chǎn)生穩(wěn)定的 電能，但它一般只適合于低頻振動的情形，特別是拍打器需要有較大的振幅才能起振，這些都 限制了它的應用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于動力吸振器的壓電振動能量收集裝 置，采用振動控制中常用的動力吸振結(jié)構(gòu)，將其附加于壓電材料上，利用動力吸振器的強共振 作用使得壓電材料獲得足夠的應力，從而在振動元件的小幅振動下產(chǎn)生較多的電能。由于動力 吸振器的共振頻率可以設(shè)計在從幾赫茲到幾千赫茲的頻域內(nèi)，因而能量收集裝置的工作頻率可 以在較寬的頻域中選擇。此外，通過設(shè)計可實現(xiàn)小尺寸、小質(zhì)量的能量收集裝置，而且同時采 用壓電疊堆和壓電懸臂梁的結(jié)構(gòu)可以拓寬能量收集裝置的工作頻帶，提高能量收集裝置的能量 密度，從而獲得易于應用、高效的振動能量收集裝置。