[發明專利]一種空間多模態陣列式懸臂梁壓電能量收集裝置

有效

• 申請號: 201710022632.1
• 申請日: 2017-01-12
• 公開（公告）號: CN106856380B
• 公開（公告）日: 2018-09-14
• 發明（設計）人: 鄧華夏;杜宇;王哲敏;張進;于連棟;馬孟超
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 朱榮

本發明公開了一種空間多模態陣列式懸臂梁壓電能量收集裝置，包括基礎骨架、懸臂梁陣列、磁鐵塊、壓電發電片，基礎骨架由呈空間坐標式分布的金屬管組成，懸臂梁陣列由多根懸臂梁組成且由短到長依次排列，基礎骨架的每根金屬管上均排列著一組所述懸臂梁陣列，且懸臂梁陣列垂直于其所在的金屬管，懸臂梁陣列的安裝方向要保證其振動方向與所在金屬管的長度方向平行，懸臂梁陣列中的每根懸臂梁末端都安裝有磁鐵塊，且相鄰懸臂梁之間的磁鐵塊相同磁極相對，每根懸臂梁的根部均粘貼著壓電發電片。本發明結構的工作頻域寬，結構緊湊，空間利用率高，發電效率高，通過對外界振動能量的收集可以提高能源利用效率并實現低功耗器件的自供電。

技術領域

本發明涉及能量回收領域，屬于振動壓電能量轉換技術，主要涉及一種空間多模態陣列式懸臂梁壓電能量收集裝置。

背景技術

無線系統的應用已經深入世界每一個角落，例如基于IEEE802.11標準的無線網絡和基于藍牙標準的便攜式電子設備，這些已經在日常生活中得到了普遍的應用。無線系統與傳統的有線系統相比，具有很多優勢，例如使用方便、操作靈活、并且可以隨意配置。作為無線系統的一個重要應用，一種被稱為無線傳感網絡(Wireless Sensor Network)的技術已經得到了快速的發展。這項技術是在機器或者建筑結構當中安放微型的無線傳感器節點，實時監測它們的運行狀態。這樣對便攜式電子設備和無線傳感器的供電設備的需求也與日俱增。

目前，大部分便攜式電子設備和無線傳感器都是采用電池供電的。盡管隨著電池技術的發展，人們可以通過增大電池的容量來延長其服務年限，但是當前電池增容技術的發展遠遠落后于無線電子器件的發展, 在一些特殊應用領域，傳統化學電池的更換幾乎無法實現。例如，在無線傳感網絡中大量的傳感的節點被置于橋梁上，用于結構健康監測傳感器，還有追蹤野生動物的定位節點，即全球定位系統（Global Positioning System，GPS）。當電池的能量耗盡時，就需要定期更換傳感器上的電池。為了保證一個由上千個節點組成的無線傳感器網絡的運行就需要定期更換大量的電池，一方面必然增高了無線傳感網絡的使用成本，對狀態監測技術的應用和發展帶來不利影響，另一方面大量的使用電池也會造成一定的環境污染和資源浪費。

在能源短缺日趨嚴重的今天，人們越來越希望能見日常生活中被浪費和忽視的能量加以采集回收和利用。于是，微型能量采集裝置應運而生。微型能量采集裝置可以將環境中的能量，比如振動能、風能、太陽能等，轉換為電能。振動作為自然界常見的現象，它幾乎無處不在并且具有較高的能量密度，振動式微型能量采集裝置可通過機電轉換材料將外部的振動能轉換成電能，具有很好的應用前景。

收集振動能的主要方法是利用靜電、電磁、壓電等效應，通過能量采集裝置將外部的振動能轉換成電能。壓電式振動能量收集技術相比于另外兩種振動能量收集技術具有較高的功率密度和更加簡單的結構，易于集成與微型化，符合電子元器件的發展趨勢。目前，懸臂梁結構的壓電能量收集裝置較為常見，有單穩態懸臂梁、雙穩態懸臂梁等。單穩態壓電能量收集裝置的通頻帶極窄，諧振頻率高，能量采集效率低。雙穩態結構增加了帶寬，降低了諧振頻率，增大了振子的振動幅度，能量轉換效率有一定的提高。如中國專利（公開號CN105305879A）公開了一種直角型壓電懸臂梁振動能量采集器，該裝置中只有一個直角懸臂梁單獨工作，采集的能量密度較低；如中國專利（公開號CN102790548A）公開了一種雙穩態復合懸臂梁壓電發電裝置，該裝置采用八個雙穩態懸臂梁組成了環形陣列，發電效率相比單一壓電懸臂梁結構有所提升，但是由于八個懸臂梁均在同一平面內，因此仍然只能采集單一方向的振動，無法采集各個方向的振動，發電效率仍然有限。因此設計一種寬頻帶多模態且能夠采集多方向振動的壓電能量收集裝置具有較大的意義和價值。

發明內容

本發明目的是改善普通懸臂梁壓電能量收集裝置工作頻帶窄、只能采集單一方向振動的缺陷，提供一種空間多模態陣列式懸臂梁壓電能量收集裝置，該空間多模態陣列式懸臂梁壓電能量收集裝置具有空間利用率高，結構緊湊，采集能量密度大，能采集多方向振動、工作頻帶寬等優點。