[發明專利]一種基于縱振帶隙的聲子晶體發電裝置

無效

• 申請號: 201410022602.7
• 申請日: 2014-01-17
• 公開（公告）號: CN103746603A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發明（設計）人: 舒海生;董立強;李媛媛;李世丹;林航;劉偉;李曉剛;王興國;梁善軍;劉少剛
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及的是一種發電裝置，具體地說是一種適用于振動噪聲環境中基于聲子晶體縱向振動帶隙原理的寬頻振動發電裝置。

背景技術

近年來，隨著集成電路技術和微/納機電系統技術的發展，微電子產品被廣泛的應用于無線網絡節點、環境監測、汽車、建筑等重要領域。目前微電子產品的發展受限于供能裝置的微型化和壽命期限等問題，因此發展新型的微電源技術十分重要。當前，微機電系統所采用的化學電源方案多數只適于短壽命周期，并且難以應對數量不斷增加的無線網絡節點，而基于壓電效應的振動發電裝置，雖然只能產生小級別的電力,但已能滿足微功耗系統要求，并其所利用的振動源無處不在，具備不受場地限制、活動性強等優點，因此采用壓電振動發電裝置可以解決微機電系統的自我供能問題。

目前的研究較多的懸臂梁發電結構面臨“共振頻率單一，發電效率低”的問題。為提高發電效率，拓寬發電頻帶，目前常用的方法有兩種：一、主動自調整法，即通過主動控制調節裝置的自身固有頻率從而適應環境振動頻率的變化；二、被動自調整法，即通過多個不同固有頻率的發電裝置組合達到拓寬頻帶的效果。兩種方法均有缺點，前者自身耗能大，后者裝置的尺寸及設計成本均顯著增加。《西安交通大學學報》2010年2月第2期第44卷的中刊登的“多懸臂梁壓電振子頻率分析及發電實驗研究”中，提出了一種多懸臂梁壓電振子結構，即屬于被動自調整范疇，將若干不同的懸臂梁振子串聯在同一基體上，從而將發電裝置的發電頻帶拓寬至56-65Hz，并提高了發電量。但是這種結構是將不同的懸臂梁布置于同一基體上，懸臂梁的設計復雜，生產成本高。

發明內容

本發明的目的在于提供一種結構簡單、制造方便，能拓寬發電頻帶的寬度的基于縱振帶隙的聲子晶體發電裝置。

本發明的目的是這樣實現的：

它包括主梁和支梁，支梁上安裝壓電材料和質量塊組成局域振子單元，主梁上安裝至少兩排結構相同的局域振子單元組成聲子晶體結構，各局域振子單元上的壓電材料的表面垂直于主梁的軸線；所述主梁上安裝至少兩排結構相同的局域振子單元組成聲子晶體結構是指：同排中各局域振子單元等間距分布；各排的局域振子單元的間距相等；在主梁的橫截面上各排局域振子單元等間距分布。

本發明還可以包括：

1、主梁上安裝2-5排結構相同的局域振子單元組成聲子晶體結構。

2、主梁上安裝2排結構相同的局域振子單元組成聲子晶體結構，主梁的橫截面為正方形。

3、主梁上安裝3排結構相同的局域振子單元組成聲子晶體結構，主梁的橫截面為等邊三角形。

4、主梁上安裝4排結構相同的局域振子單元組成聲子晶體結構，主梁的橫截面為正方形。

5、主梁上安裝5排結構相同的局域振子單元組成聲子晶體結構，主梁的橫截面為正五邊形。

6、所述局域振子單元包括支梁，粘結在支梁一側的壓電材料，粘結在支梁端部一側的質量塊。

7、所述局域振子單元包括支梁，粘結在支梁兩側的壓電材料，粘結在支梁端部一側的質量塊。

8、所述局域振子單元包括支梁，粘結在支梁兩側的壓電材料，粘結在支梁端部兩側的質量塊。

本發明主要是針對微電子產品的電能供應而設計，利用壓電技術進行能量轉換，并采用聲子晶體技術實現發電裝置在振動環境中的寬頻高效發電。其原理是沿主梁長度方向等間距布置若干發電支梁（局域振子），形成局域共振型聲子晶體結構，通過局域振子的動力吸振以及相互間的耦合作用，產生不同中心頻率及不同帶寬的縱向振動帶隙，在帶隙頻率范圍內，發電支梁將產生劇烈振動，從而將沿主梁長度方向傳播的縱向振動轉換為電能，最終實現利用縱向振動的寬頻發電效果。

本發明是一種利用環境中縱向振動發電的壓電發電裝置。方案主要利用局域共振型聲子晶體技術，通過若干相同“發電支梁”在主梁上的等間距排布構成的周期結構，產生縱向振動帶隙，將帶隙內的振動轉換為電能，進而有效拓寬裝置發電頻帶的寬度，提高發電效率。本發明的發電頻帶拓寬原理與謝濤等人所提出結構具有根本的不同，并且不需對每個支梁逐一設計，降低了設計成本，同時能夠提高發電量。

總之本發明的整體結構簡單、制造方便，并對壓電振動裝置的縱向振動發電頻帶進行了有效的拓寬，無需主動控制、對工作環境的要求較低。可用于無線傳感器等微電子產品的能量供應等。

附圖說明

圖1是基于縱振帶隙的聲子晶體發電裝置的基本結構示意圖。

圖2是雙壓電片單質量塊局域振子的結構示意圖圖。

圖3是三角形截面主梁的聲子晶體發電裝置的結構示意圖。