[發明專利]一種微型能量采集壓電樹

在審

• 申請號: 201711002296.0
• 申請日: 2017-10-24
• 公開（公告）號: CN107634676A
• 公開（公告）日: 2018-01-26
• 發明（設計）人: 賀學鋒;王興昌;李看看
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 重慶信航知識產權代理有限公司50218
• 代理人: 鐘繼蓮

技術領域

本發明屬于可再生能源領域，特別涉及到一種可采集環境中多個方向的中低速風能和微弱振動能的微型壓電樹結構。

背景技術

無線傳感網絡技術在環境監測、建筑物健康監測、智能制造等領域具有廣闊應用前景。目前的無線傳感節點大多采用電池供電，由于電池具有尺寸大、壽命短、污染環境等缺點，對于包含成千上萬個節點的無線傳感網而言，對眾多的傳感節點進行充電或更換電池不僅費時、費力，有時甚至是難以實現的。近年來，采用可以將環境中廣泛存在的動能(振動能、風能、流水動能等)轉換為電能的微型能量采集系統替代電池作為無線傳感節點的電源，已逐步成為國內外研究的熱點。

風能是自然界中廣泛存在的清潔能源，將風能轉換為電能的微型能量采集系統是無線傳感節點的一種理想電源，受到國內外廣泛關注。同有轉動部件的風力發電機(風能采集系統)相比，基于風致振動機理的微型風能采集系統具有結構簡單、成本低、可微型化等諸多優勢，是目前微型風能采集系統研究的重點。基于風致振動機理的微型風能采集系統首先利用風致振動現象將環境中的風能轉換為電能，再進一步利用電磁感應、靜電效應或者壓電效應等原理將振動能轉換為電能。對基于風致振動機理的微型風能采集系統而言，只有當風速超過某個特定的臨界風速時才有較高的電學輸出，目前的風能采集器還存在臨界風速高等問題，極大地限制了其在無線傳感領域的廣泛應用；另外，目前研制的微型風能采集系統只是對某特定方向的風很敏感，而自然環境中風的方向往往是隨時間而改變的。因此開發對不同方向的中低速風均具有高采集效率的微型風能采集系統，對促進風能采集系統在無線傳感等領域的應用具有十分重要的意義。

自然環境中同時廣泛存在振動能，將環境振動能轉換為電能的微型振動能采集器也是國際上研究的熱點。常規的基于諧振機理的振動能采集器頻帶較窄、固有頻率較高，對自然環境中常見的微弱、寬帶振動能的采集效率低下。另外，自然環境中的振動通常有多個方向的分量，并且方向往往也是在不斷變化的，當目前的振動能采集器大多只能高效采集某一特定方向的振動能，對其他方向的振動能采集效率很低，因此其對振動能的總體采集效率較低。開展環境中微弱的低頻、寬帶、多方向振動能的高效采集方法研究，對促進微型振動能采集器在無線傳感網絡等領域的應用也具有重要意義。

在自然界中有大量的植物，如樹、草等，由于它們具有不同的結構和材料特征，它們對風和振動的響應也各不相同。通過觀察不同植物的響應特征，分析結構形式對其動態響應的影響，對開發高性能微型風能和振動能采集系統具有重要的參考價值。

本發明受樹木在不同方向的中低速風和微弱振動的作用下就能產生大幅度擺動的現象的啟發，提出一種微型能量采集壓電樹結構，其樹干、樹枝、樹葉及果實均包含壓電能量轉換單元，其對不同方向的中低速風和微弱振動均具有較高的采集效率，同常規的風能采集系統和振動能采集系統相比具有獨特的優點，環境適應性更強，在無線傳感網絡等領域具有廣闊應用前景。

發明內容

本發明提出一種微型能量采集壓電樹，該壓電樹可以將環境中不同方向的中低速風和/或微弱振動轉換為電能。

為了實現上述發明目的，本發明采取以下技術方案：

一種微型能量采集壓電樹，其由樹干、樹枝、樹葉與果實構成，樹枝固定于樹干或其他樹枝上，樹枝上有樹葉或其他樹枝，樹干和樹枝上有果實；

其中樹干根部相繼連接有兩根壓電復合梁，這兩根壓電復合梁分別在兩個相互垂直的平面內彎曲；

樹枝根部與樹干連接處有可以在豎直平面內彎曲的壓電復合梁；

樹葉上的部分區域貼有壓電復合膜，在樹葉與樹枝的連接處有壓電復合梁，該壓電復合梁可以在豎直平面內彎曲；

果實為帶滾動質量塊的碰撞式動能采集單元，其包含多根壓電復合梁。

在不同方向的風和/或振動的作用下，壓電樹的樹干、樹枝、樹葉都將發生振動。樹枝將發生彎曲振動，導致位于其根部的壓電復合梁發生彎曲振動；樹枝也將出現振動，導致位于樹枝根部的壓電復合梁發生彎曲振動；果實位于樹干和樹枝上，樹干和樹枝的振動將導致果實的振動，該果實是帶滾動質量塊的碰撞式能量采集系統，包含壓電復合梁，樹枝和樹干的振動將導致果實中的滾動質量塊與壓電復合梁發生碰撞，引起壓電復合梁振動；樹葉的擺動將導致其上的壓電復合膜，以及樹葉與樹枝連接處的壓電復合梁內的應力交替變化。因此在風和/或振動的作用下，樹干、樹枝、樹葉和果實內的壓電復合梁/膜也將發生振動，由于壓電效應，壓電復合梁/膜的壓電層上下表面之間將產生電勢差，利用該電勢差即可以為無線傳感節點等負載供電。