[發明專利]一種基于振動摩擦的多方向寬頻能量收集裝置

有效

• 申請號: 201410696021.1
• 申請日: 2014-11-26
• 公開（公告）號: CN104362884A
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發明（設計）人: 秦利鋒;張金惠;張啟祥;劉海強;馬盛林;周偉;鄧大祥
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: H02N1/04
• 分類號: H02N1/04
• 代理公司: 廈門市首創君合專利事務所有限公司 35204
• 代理人: 張松亭

技術領域

本發明涉及一種多方向寬頻能量收集裝置，特別涉及一種基于振動摩擦的多方向寬頻能量收集裝置。

背景技術

能量收集器是采集或收集周圍環境中釋放的微能量，包括光、熱和振動，并將之轉換為電能的器件。同傳統的供能方式相比，如傳輸線、電池等，能量收集器不受連接線的限制，且無需頻繁更換，有效解決了在惡劣的環境下設備因電池壽命有限帶來更換不便或者維修費用高的問題。目前，振動能量收集器的類型主要有靜電式、電磁式以及壓電式。靜電式振動能量收集器具有結構復雜，工作時需要啟動電源的缺點，無法實現自供能；電磁式振動能量收集器輸出電壓低，無法滿足大功耗電子設備的供能需求。

周圍環境中的振動源都具有一定頻帶寬度，當振動源的頻率與能量收集器諧振頻率一致時，壓電振動能量收集器收集效率高；然而當振動源的頻率偏離懸臂梁諧振頻率時，輸出能量會急劇減少，收集效率低。同時外界振動源是隨機振動，且振動方向不固定，目前大部分能量收集器不能同時滿足多方向上的寬頻能量收集，導致收集效率低。比如2013年張海霞等人提出一種壓電摩擦復合式寬頻帶能量收集器，采用壓電陣列懸臂梁振動形變和振動過程中與摩擦基底碰撞產生電能，其中壓電效應產生的電能為320mV，摩擦生電產生的電能為20V，只實現了一個方向上的寬頻能量收集，而且在碰撞摩擦過程中存在機械碰撞能量的損失。因此需要提出一種新穎的技術方案同時實現多方向和寬頻的能量收集。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于振動摩擦的多方向寬頻能量收集裝置，能夠應用在一定頻帶寬度和振動方向不斷變化的振動源環境中，實現多方向的能量收集，提高能量收集效率，基于摩擦生電原理收集能量可增大輸出電壓，高效率的將環境中的振動能量轉換為電能，經過處理電路，連續輸出電能。

為了實現上述目的，本發明提供一種基于振動摩擦的多方向寬頻能量收集裝置，包括質量塊、彈簧、固定擋板、上電極、摩擦基底、下電極、基座；所述質量塊一面與彈簧一端連接，所述彈簧的另一端與固定擋板連接構成彈性振動裝置；所述彈性振動裝置水平放置于基座的周圍，且在每個方向上具有至少一個彈性振動裝置；所述上電極設置于質量塊的下表面；所述摩擦基底的上表面與上電極接觸；所述下電極設置于摩擦基底的下表面，并固定于基座的上表面；上下電極可由導線引出與處理電路相連。

在一較佳實施例中：不同的所述彈性振動裝置中質量塊的質量可以相同或不同。

在一較佳實施例中：所述上電極與摩擦基底采用可以摩擦生電的材料。

在一較佳實施例中：所述上電極的材料為鋁，摩擦基底的材料為PDMS。

在一較佳實施例中：所述上電極與摩擦基底接觸的面積根據外界振動源的振動強度設計。

在一較佳實施例中：所述摩擦基底的形狀可以為矩形或圓形。

在一較佳實施例中：在相同方向上的所述彈性振動裝置可以設計為不同的諧振頻率。

在一較佳實施例中：在不同方向上的所述彈性振動裝置可以設計為相同或不同的諧振頻率。

在一較佳實施例中：所述下電極與摩擦基底的接觸面積可以等于或者大于摩擦基底的下表面。

在一較佳實施例中：不同的所述彈性振動裝置之間的上電極與下電極分別采用并聯的連接方式。

在一較佳實施例中：所述基底的形狀可以為矩形或圓形。

上述的基于振動摩擦的多方向寬頻能量收集裝置，當受到某一方向上的外界激勵時，與之頻率相匹配的彈性振動裝置發生簡諧振動，振動過程中質量塊上的上電極與摩擦基底的相對接觸面積不斷發生變化，產生電荷的移動，從而產生電流，經過上下電極與處理電路連接輸出電能。通過設計彈性振動裝置的位置實現多方向能量收集，改變不同彈性振動裝置的固有頻率實現寬頻能量收集。

相對于現有技術，本發明提供的一種寬頻壓電振動能量收集裝置具有以下優點和有益效果：

1.采用摩擦生電的原理，相比于單純基于壓電效應原理的能量收集裝置輸出的電壓更高，更能滿足功耗設備的需求。

2.利用質量塊-彈簧結構振動摩擦生電，可以避免機械碰撞，減少機械能的損失，提高能量轉化效率。

3.在裝置的不同方向設置彈性振動裝置，可以實現多方向能量收集，適用于多變的振動環境。

4.在裝置的每個方向設置多個不同頻率的彈性振動裝置，可以實現多方向上的寬頻能量收集，使應用范圍更加廣泛。

附圖說明

圖1是本發明優選實施例的三維結構示意圖；

圖2是本發明優選實施例的俯視圖；

圖3是本發明優選實施例的側視圖；