[發(fā)明專利]能量采集器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201280061402.1
• 申請日: 2012-10-18
• 公開（公告）號: CN103999348B
• 公開（公告）日: 2017-07-18
• 發(fā)明（設計）人: 賈斯特斯·勞倫斯·赫爾德;尼瑪·托羅
• 申請（專利權）人: 代爾夫特理工大學;荷蘭技術基金會STW
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;B81B3/00
• 代理公司: 北京金信知識產權代理有限公司11225
• 代理人: 黃威,王智

技術領域

本申請涉及包括質量塊的能量采集器，所述質量塊經受使其進入運動質量塊的狀態(tài)的環(huán)境作用力。

背景技術

在過去的十年里，能量采集領域已經迅速吸引了很多人的關注，并且通過公布和產品技術原型的增長已證實其具有的重要性。一般來說，用于能量采集的來源可以以四種形式獲取：光、無線電波、溫度差和運動。戶外太陽能比其他來源提供的能量密度高出大約兩個數量級。然而，對于室內環(huán)境來說太陽能不是具有吸引力的能量來源。特別地，對于室內應用，認為動能是具有吸引力的選擇。

來自例如普遍存在的環(huán)境振動、人類的日常運動或其它類型的運動，尤其是但不排除通過微電子機械系統(tǒng)(micro-electronic-mechanical systems，MEMS)技術的能量采集，似乎是用于便攜式設備和無線傳感器網絡的極具潛力的功率的來源。可以利用三種類型的機電換能器將來自環(huán)境的振動或運動轉換成電能，或者以應變能量形式存儲以用于后續(xù)使用，所述三種類型的機電換能器為：電磁的、靜電的和壓電的，。

Seok-Min Jung和Kwang-Seok Yun撰寫的、發(fā)表于應用物理通訊96，11906(2010)的文章“用于增大的功率效率和寬帶操作的具有機械上變頻轉換機制的能量采集設備”，公開了一種能量采集設備，其利用跳躍失穩(wěn)(snap through buckling)進行機械上變頻轉換。這里提出的設備由具有質量塊的扣接的長橋(buckled slender bridge)和附接其上的懸梁組成。這提高了該設備的可用帶寬。

A.J.Sneller、P.Cette和B.P.Mann撰寫的、發(fā)表于機械工程協(xié)會論文集，第I部分：《系統(tǒng)和控制過程》期刊2011年第225卷第497-509頁的文章“用于能量采集的具有附接的中心質量塊的后扣的壓電梁的實驗研究”，調查了扣接的壓電梁對基礎諧波(harmonic base excitation)的響應。該研究就附接的質量塊在持續(xù)的跳躍行為(snap through behavior)上的效應進行了報告。由于該行為的相對大的幅度運動，其在能量采集上有明顯的應用。

C.Eichhorn、F.Goldschmidtboeing和P.Woias所撰寫的、發(fā)表于《微力學和微工程學》期刊的第2009年第19期第1-6頁的文章“基于懸臂梁的壓電換能器的雙向頻率調諧”，就通過應用機械作用力至其結構的壓電換能器的共振頻率的調諧做了報告。

Mohammed Rhimi和Nizar Lajnef撰寫的、發(fā)表于SPIE論文集第7981卷文章標識為7981139第1-9頁的文章“在壓電能量采集器中利用形狀記憶合金的溫度補償”，討論了采集的振動能量通常被認為是，在土建和機械結構中的用于健康與使用監(jiān)控的傳感器的網絡的可替換功率源。該文章討論了在理論上可采集的能量水平的溫度偏移的影響以及補償方法論。

發(fā)明內容

對于所有類型的應用中動能的采集、存儲和釋放的需要，本發(fā)明的目的在于通過提供能量采集器來滿足這種需求，該能量采集器包括質量塊，該質量塊能夠經受使其進入運動質量塊的狀態(tài)的環(huán)境作用力(例如由于振動)，以及構件，該構件連接到所述質量塊用于轉化和存儲蘊含在所述運動質量塊中的能量，并設置為用于后續(xù)釋放所述能量，其中，所述質量塊是系統(tǒng)的一部分，所述系統(tǒng)包括框架和將所述質量塊連接到所述框架的第一彈性梁和第二彈性梁，其中所述第一彈性梁和第二彈性梁提供有相反的剛度，以便在所述運動質量塊的預定偏移范圍內設置，使得所述質量塊承受預選的剛度。

考慮到例如該第一彈性梁具有正剛度，設置該第二彈性梁具有負剛度，其中該負剛度將該系統(tǒng)的剛度調諧下降至零剛度或者接近零剛度。雖然由于該正剛度更易實現(xiàn)而優(yōu)選地調諧該正剛度，但是原則上，該正剛度或者該負剛度都可以進行調諧。因此，有時可能有益的是，選擇預選的剛度在一個值處，其將該質量塊調諧成與環(huán)境振動作用力的頻率共振。

一般來說，通過設置具有上述特征的本發(fā)明的能量采集器，組裝成本和維修成本是低的，然而其可以獲得將運動能量精確有效轉換成可重復利用的潛在的能量，這在小規(guī)模應用中是可用的，尤其是在微電子機械系統(tǒng)(MEMS)應用中，其尤其適于將該系統(tǒng)設置成服從系統(tǒng)(compliant system)。另一個顯著優(yōu)點在于，在該運動質量塊的預定偏移范圍內，出現(xiàn)該優(yōu)選的零剛度或接近零剛度，并且使該運動質量塊共振的該范圍可以相對大，使得可以將本發(fā)明的采集器用于相對大的能量的轉換。