[發明專利]一種電場能量收集裝置

有效

• 申請號: 201710299691.3
• 申請日: 2017-05-02
• 公開（公告）號: CN106921310B
• 公開（公告）日: 2019-03-08
• 發明（設計）人: 張敏;胡豐;王海;趙偉;秦紅波;劉巖
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 韋全生;王品華

本發明提出了一種電場能量收集裝置，用于解決現有電場能量收集裝置存在的能量收集效率低的技術問題，包括固定座、設置在固定座上的夾具、懸臂梁和質量塊，其中懸臂梁包括固定在夾具上的彈性基板以及靠近彈性基板固定端板面一側或兩側上依次粘貼的驅動層、壓電層和電極層，該能量收集裝置的驅動層在外界靜電場作用下產生偏置，驅動彈性基板和壓電層產生振動，壓電層將驅動層驅動下產生的機械振動能轉換為電能，電極層將壓電層產生的電能輸出至外電路；質量塊，固定在彈性基板的自由端，用于調節懸臂梁的諧振頻率，使其發生諧振，以產生最大的輸出電壓。本發明有效的提高了電場能量的收集效率。

技術領域

本發明屬于能量收集技術領域，涉及一種能量收集裝置，具體涉及一種電場能量收集裝置，可用于將環境中泄露的電場能收集并轉化為電能。

背景技術

能量收集裝置能夠收集和利用環境中的諸多能源，如振動能、聲能、熱能、風能和潮汐能等等，并將其轉化為電能，為低功耗電子設備或器件供能。克服了傳統模式下，利用電池供能時，頻繁更換電池所帶來的不便。加之傳統電池供電方式存在供能壽命有限、體積大難以集成和易污染環境等缺陷，因此對低功耗電子設備自供電的能量收集裝置亟待需要。

目前，能量收集裝置根據收集和轉化的對象和原理的不同，可以分為光伏能量收集裝置、熱電能量收集裝置和壓電能量收集裝置三類。其中，光伏能量收集裝置是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術；熱電能量收集裝置利用材料的熱電效應將熱梯度能轉變為電能；壓電能量收集裝置，利用壓電材料所具有的正壓電效應將周圍環境中的振動能收集并轉化為電能。通常情況下，壓電材料同時具有正壓電效應和逆壓電效應兩種屬性。正壓電效應是指當壓電材料產生機械變形時，在壓電材料表面出現電荷的現象。逆壓電效應是指對壓電材料施加交變電場引起材料機械變形的現象。

盡管對能量收集技術的研究已取得一些成果，但對環境電場能收集方面的研究較少。而環境中的電場無處不在，全世界都基本被工頻輸電網覆蓋，其高壓變電站或高壓設備周圍蘊含豐富的電磁能量。測試數據表明，50kV變電站內的工頻電場一般較大，最大可達18kV/m，磁感應強度達70-90μT，在某些近高壓設備處如變壓器母線，補償電容電感周圍，電磁能測量數值甚至更高。因此，變電站內電磁場能量相當豐富，若能有效的加以收集和利用，可作為變電站內無線傳感器節點和低功耗電子設備自供電的理想供能方式。電場能量收集裝置主要包括壓電材料、駐極體和支撐結構，其原理是運用壓電材料的逆壓電效應，即放置在電場中的駐極體會產生形變，從而使壓電材料產生輸出電壓。例如：授權公告號為CN104022688B，名稱為“基于駐極體的MEMS電場能量收集器”的發明專利，公開了一種基于駐極體的MEMS電場能量收集器，主要用于對空間中交變電場的能量收集。該收集器包括：絕緣基板、壓電絲、支撐面、駐極體；其中壓電絲置于絕緣基板平行上方；通過支撐面上粘附的駐極體構成的靜電場，對處于電場中的壓電絲提供適當的偏置；當壓電絲在外部電場激勵下振動時，壓電材料受拉伸或壓縮發生應力應變導致內部電荷流動形成電信號，實現機械能向電能的轉換，并通過壓電絲連接的外部電路完成對電場能量的收集功能。該專利可以在一定程度上實現對電場能的收集，但采用壓電絲結構，其收集效率較低，收集能量較小，很難滿足實際應用需求。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術存在的缺陷，提出了一種懸臂梁式的電場能量收集裝置，用于解決現有電場能量收集裝置中存在的能量收集效率低的技術問題。

為了實現上述目的，本發明采取的技術方案為：