[發明專利]一種適于低頻振動能量收集的上變頻振動能量收集裝置

有效

• 申請號: 201210210358.8
• 申請日: 2012-06-19
• 公開（公告）號: CN102751910A
• 公開（公告）日: 2012-10-24
• 發明（設計）人: 邊濰;伍曉明;卜靈;王曉紅;劉理天
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 黃家俊

技術領域

本發明屬于振動能量收集領域，具體涉及一種適于從低頻振動中收集能量的上變頻振動能量收集裝置。

背景技術

在建立傳感器網絡的時候，總是希望網絡中的傳感器節點全壽命不需補充能量。振動能量收集系統可以不斷地從環境振動中收集能量，為傳感器節點長期提供能源。

目前，振動能量收集系統大多采用基于諧振的彈簧-質量結構。使該結構的諧振頻率與外界振動相同，促使振子與機架產生最大的相對運動，進而采用各種機電轉換方法（如：壓電式、靜電式、或者電磁式）將這一動能轉化成電能。這一解決方案一直以來面臨的問題是外界振動與彈簧-質量系統的頻率匹配問題，即彈簧-質量系統（無論是壓電式的壓電懸臂梁、還是靜電式與電磁式的彈簧-質量結構）的諧振頻率一般都比較高，而外界振動源（例如波浪、車輪的運動或是人體的運動）的頻率則普遍比較低，而且振動頻率隨時間變化。

隨著探索的不斷深入，國內外的研究人員針對振動能量收集系統諧振頻率和外界振動的匹配問題提出了各種各樣的解決方案。Lei?Gu和Carol?Livermore??（Passive?self-tuning?energy?harvester?for?extracting?energy?from?rotational?motion,?Applied?Physics?Letters.?Aug.?2010.?97(8).081904-081904-3）嘗試采用沖擊驅動的方式驅使壓電片產生阻尼自由諧振；Sheng?Xu等（Integrated?Multilayer?Nanogenerator?Fabricated?Using?Paired?Nanotip-to-Nanowire?Brushes,?Nano?Letters,8(11),2008:4027-4032）則利用納米針尖迫使納米壓電材料小棒變形的方法來產生電能，從而避免使用壓電材料構成的彈簧-質量系統直接耦合外界振動，并達到有效收集低頻振動能量的目的。雖然二者都采用了一些技術手段避免壓電材料所形成的彈簧—質量系統直接耦合外部振動，從而使得壓電材料制成的能量收集系統可以在比其諧振頻率低的“低頻”振動下有效地形變，進而收集能量，但是，無論是采用質量塊“撞擊”壓電片并使之發生形變，還是利用納米針尖的運動迫使壓電片形變，都是外力直接作用于壓電片的尖端并使之發生形變，進而輸出能量，這種方式將振動的機械能轉換成電能的效率較低；而本發明采用了一種新的設計方式，使用固定壓電片的載物臺與彈性元件碰撞的方式來促使壓電片發生形變并收集能量，能更加高效的將低頻振動的能量轉換成電能。

對于大部分面向低頻設計的振動能量收集系統，其結構仍然由懸臂梁或彈簧與質量塊構成。無論是哪種結構，彈簧-質量系統的諧振頻率都很難有效降低。其原因在于，懸臂梁結構本身不能有很大的形變，因此懸臂梁的剛度就不能過小，端部質量塊的質量也不能很大，否則懸臂梁有可能發生斷裂或者塑性形變。而具有很低諧振頻率的、由彈簧與質量塊構成的振動系統，則普遍面臨系統尺寸過大、質量塊行程過長的問題。可以看出，面向低頻振動的振動能量收集器尚未成熟，因此，實踐中需要一種解決上述問題的新的振動能量收集系統。

發明內容

本發明正是針對現有振動能量收集裝置的不足，提出了一種適于從低頻振動中收集能量的上變頻振動能量收集裝置。

本發明提出的適于從低頻振動中收集能量的上變頻振動能量收集裝置包括如下結構：

機架1、扭簧2、鉸鏈3、鉸接臂4、壓電片臺架5、壓電片6、質量塊7和彈性結構8；?

其中，扭簧2的一端固定于機架1上，另外一端固定在鉸接臂4上；鉸鏈3將鉸接臂4鉸接在機架1上；壓電片臺架5固定在鉸接臂4未和扭簧2結合的一端；壓電片6固定在壓電片臺架5上，在壓電片6上遠離壓電片臺架5的一端固定有質量塊7；彈性結構8可以安裝在機架1上遠離扭簧2的一端，使碰撞發生在鉸接臂4和彈性結構8之間，也可以安裝在鉸接臂4上遠離扭簧2的一端，使碰撞發生在彈性結構8和機架1之間。

所述的低頻振動指振動頻率為不大于10Hz的振動；

本發明所述的適于從低頻振動中收集能量的上變頻振動能量收集裝置包括一個諧振頻率很低的彈簧-質量二階系統，所述的二階系統包括鉸接臂4和扭簧2；所述的二階系統工作在諧振模式下，可以將系統外部低頻振動的能量轉化為蘊含在系統內部機構之間的機械能。