[發(fā)明專利]一種基于壓電發(fā)電的能量收集裝置及控制系統(tǒng)和控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610375402.9
• 申請(qǐng)日: 2016-05-31
• 公開（公告）號(hào): CN105915114B
• 公開（公告）日: 2018-05-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃素芝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 太原市一正泰輸配電設(shè)備制造有限公司
• 主分類號(hào): H02N2/18
• 分類號(hào): H02N2/18;H02J7/34
• 代理公司: 成都九鼎天元知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司51214
• 代理人: 郭彩紅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及能量收集裝置，尤其是一種基于壓電發(fā)電原理的高效率能量收集裝置及控制系統(tǒng)和控制方法。

背景技術(shù)

把周圍環(huán)境存在的熱能、風(fēng)能、聲能、誰能、太陽能、機(jī)械能和人類活動(dòng)能等能量中的一種或者多種收集起來轉(zhuǎn)換成電能，然后直接給電子器件供電或者儲(chǔ)存在電容器、可充電電池等器件中，這個(gè)過程即為能量收集。從各種能量源中收集能量的方法有很多種，如電磁感應(yīng)、靜電、射頻輻射和壓電效應(yīng)等，機(jī)械振動(dòng)是環(huán)境中普遍存在的一種形式，振動(dòng)能量收集的原理是利用傳感器的位移或者機(jī)械形變從而產(chǎn)生電能，收集振動(dòng)能量一般有三種方式：利用電磁感應(yīng)、靜電和壓電效應(yīng)，其中電磁感應(yīng)由于平面磁鐵的性能比較差，通過平面線圈實(shí)現(xiàn)匝數(shù)受到限制，還有振動(dòng)幅度的限制相應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電磁器件速度降低；靜電器產(chǎn)生的是高電壓、低電流和高輸出阻抗，還有電極短路的問題；而壓電材料的轉(zhuǎn)化性能很高，可以得到很高的能量密度，得到廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)在的壓電發(fā)電裝置使用的是單晶片，晶片內(nèi)只有一個(gè)壓電片，同時(shí)發(fā)電裝置中設(shè)置的晶片都是單層和單個(gè)，壓電發(fā)電裝置的能量轉(zhuǎn)換效率不高，同時(shí)發(fā)電輸出的電壓較低，并且能量收集裝置沒有進(jìn)行檢測(cè)和控制，容易損壞。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的發(fā)明目的在于：針對(duì)上述存在的問題，提供一種包含壓電發(fā)電、整流和存儲(chǔ)功能以及控制系統(tǒng)的能量收集裝置，在發(fā)電裝置中采用壓電雙晶片，同時(shí)晶片疊加和并聯(lián)設(shè)置，能量轉(zhuǎn)化效率高，同時(shí)將發(fā)電電壓進(jìn)行四倍壓整流，提供最大的電壓，并提供一種對(duì)能量收集裝置進(jìn)行自動(dòng)控制的方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明的基于壓電發(fā)電的能量收集裝置，包括發(fā)電裝置、能量轉(zhuǎn)換模塊和存儲(chǔ)裝置；所述發(fā)電裝置包括蓋板、沖擊塊、固定柱、壓電雙晶片陣列、底板和導(dǎo)線；所述底板上表面兩端設(shè)置有固定柱，底板和固定柱為一體式，固定柱內(nèi)壁上設(shè)置有豎直排列向內(nèi)的多個(gè)凹槽，兩個(gè)固定柱上的凹槽對(duì)應(yīng)設(shè)置，在同一條水平線上，凹槽內(nèi)設(shè)有壓電雙晶片，壓電雙晶片之間設(shè)置有彈簧，底板與壓電雙晶片之間設(shè)置有彈簧，壓電雙晶片上連接有導(dǎo)線；所述限位板之上有蓋板，蓋板下端設(shè)置有沖擊板；所述導(dǎo)線連接能量轉(zhuǎn)換模塊；所述能量轉(zhuǎn)換模塊采用倍壓整流電路，連接存儲(chǔ)裝置；所述存儲(chǔ)裝置采用超級(jí)電容，并聯(lián)穩(wěn)壓二極管。

以上結(jié)構(gòu)中，壓電雙晶片之間設(shè)置有彈簧，底板與壓電雙晶片之間設(shè)置有彈簧，當(dāng)上層的壓電雙晶片受到?jīng)_擊板的壓力向下彎曲，給下個(gè)壓電雙晶片一個(gè)向下的力，最上面的壓電雙晶片受到力依次傳遞給下層的壓電雙晶片，多個(gè)壓電雙晶片的共同作用產(chǎn)生更多的電能，提高能量收集裝置的工作效率；所述存儲(chǔ)裝置中的穩(wěn)壓二極管具有保護(hù)超級(jí)電容的作用。

本發(fā)明的基于壓電發(fā)電的能量收集裝置，所述壓電雙晶片陣列包括同一層并聯(lián)的N個(gè)壓電雙晶片和N層串聯(lián)的壓電雙晶片，N>2。

以上結(jié)構(gòu)中，同層N個(gè)雙晶片并聯(lián)和N層壓電雙晶片串聯(lián)設(shè)置，電路的總電流為各支路電流的總和，這樣就大大提高裝置的輸出電流。

本發(fā)明的基于壓電發(fā)電的能量收集裝置，所述壓電雙晶片包括壓電片、金屬片和導(dǎo)線；所述金屬片設(shè)置于兩塊壓電片之間，金屬片和壓電片之間有膠層；所述金屬片和壓電片上分別連接有導(dǎo)線，兩個(gè)壓電片之間用導(dǎo)線連接。

以上結(jié)構(gòu)中壓電雙晶片有兩塊壓電片，當(dāng)金屬片發(fā)生形變時(shí)，兩塊壓電片都會(huì)發(fā)生形變，對(duì)比單晶片，能夠產(chǎn)生更多的電荷，輸出更大的電壓，提高發(fā)電效率。

本發(fā)明的基于壓電發(fā)電的能量收集裝置，所述金屬片長(zhǎng)度為60mm、厚度為0.5mm，壓電片長(zhǎng)度為42mm，厚度為0.15mm；壓電片與金屬片的長(zhǎng)度比為0.7。在滿足發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)尺寸要求的前提下，壓電片和基板的最佳長(zhǎng)度比為0.7。

本發(fā)明的基于壓電發(fā)電的能量收集裝置，所述壓電片采用的是摻雜改性的高性能PZT壓電陶瓷材料。

以上結(jié)構(gòu)，PZT系壓電陶瓷材料不僅具有優(yōu)異的壓電性能，而且還具有很低的制作成本和非常成熟的制作工藝，且摻雜調(diào)控性強(qiáng)，可以提高能量手機(jī)裝著的效率和降低成本。

本發(fā)明的基于壓電發(fā)電的能量收集裝置，所述底板和蓋板都采用的是膠木材料，尺寸為400mm×400mm；沖擊塊的厚度為10mm，固定柱上表面高出壓電雙晶片上表面9.8mm。

以上結(jié)構(gòu)中，固定柱上表面高出壓電雙晶片上表面的高度與沖擊板的厚度相差的數(shù)值在壓電雙晶片的形變安全量之內(nèi)。