[發(fā)明專利]一種附帶多質(zhì)量球的雙穩(wěn)態(tài)壓電俘能器裝置

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910166436.0
• 申請(qǐng)日: 2019-03-06
• 公開（公告）號(hào): CN109889092A
• 公開（公告）日: 2019-06-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李浩群;李佳瑋;景浩
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N2/18
• 分類號(hào): H02N2/18
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

本發(fā)明公開了一種附帶多滾動(dòng)質(zhì)量球的雙穩(wěn)態(tài)壓電俘能器裝置，是一種將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置；所述裝置由支座、支撐座、雙穩(wěn)態(tài)壓電板、滾動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)組成。多態(tài)壓電板由基板、壓電層構(gòu)成，中心部位粘貼于支撐座上；基板是由多層碳纖維材料合成的雙穩(wěn)態(tài)板，利用雙態(tài)板更加明顯的跳變行為可以大幅提高俘能器的俘能效果。滾動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)由粘貼在基板四周邊線的中垂線上的四個(gè)質(zhì)量箱組成，每個(gè)質(zhì)量箱由箱體、質(zhì)量球、箱蓋構(gòu)成；質(zhì)量球隨壓電板的大幅振動(dòng)在箱體中不斷滾動(dòng)，促使壓電板的穩(wěn)態(tài)跳變，而且調(diào)節(jié)并降低了該俘能裝置壓電板的固有頻率，增大其俘能頻寬。俘獲電能可供小型電子元器件或振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備使用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種附帶多質(zhì)量球雙穩(wěn)態(tài)壓電俘能器裝置，通過結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)引起的雙穩(wěn)態(tài)材料及壓電材料的形變來產(chǎn)生電能，屬于壓電發(fā)電技術(shù)及新能源技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

自工業(yè)革命至今，傳統(tǒng)能源如石油、天然氣、煤炭等不可再生能源的過量使用在加速科技發(fā)展的同時(shí)，對(duì)人們的生存環(huán)境也造成了不可恢復(fù)的破壞，并且能源的消耗速度也極為驚人，所以新能源的開發(fā)及新型材料的利用得到了世界各國(guó)的重視。而且隨著微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，微型高精度制造技術(shù)的應(yīng)用和普及，微型結(jié)構(gòu)元器件在日常生活中得到了很大的普及。微型元器件由于其方便，占用空間小等特點(diǎn)往往應(yīng)用于無線傳感器上，將其放置在距離遠(yuǎn)，不易接觸的位置上，用于檢測(cè)被測(cè)物體的實(shí)時(shí)狀態(tài)。然而，在元器件電池耗盡時(shí)，由于其安裝位置又使其更換電池變成了極為棘手的問題，因此使用新型材料在吸收振動(dòng)的同時(shí)完成自供電便完美的解決了該問題。

壓電俘能器主要利用壓電材料的壓電效應(yīng)俘獲環(huán)境中的振動(dòng)能量并將其轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備。壓電材料具有壓電效應(yīng)，在材料發(fā)生形變時(shí)，材料上下表面會(huì)產(chǎn)生等量正負(fù)電荷，產(chǎn)生電勢(shì)差。雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料是一種具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，且兩種狀態(tài)幾何構(gòu)型不同的材料。在一定載荷激勵(lì)下可以使結(jié)構(gòu)在兩種穩(wěn)態(tài)下轉(zhuǎn)變，并且不需要持續(xù)的外載荷來保持穩(wěn)定。在雙穩(wěn)態(tài)材料上附加壓電材料可以利用穩(wěn)態(tài)之間的跳變來使壓電材料形變?cè)龃螅瑥亩@取更高的電能。

自然環(huán)境中的每個(gè)物體都有其自身的固有頻率，該頻率有物體本身決定，物體在該頻率下發(fā)生振動(dòng)時(shí)，其結(jié)構(gòu)形變最大。因此壓電俘能器在其固有頻率下發(fā)生振動(dòng)時(shí)俘能效果最好，然而自然環(huán)境中的振動(dòng)源頻率往往是不固定的，因此需要俘能器擁有一個(gè)共振頻率帶，在此范圍內(nèi)均可獲得較大位移。

由此可見，壓電板俘能裝置的核心部件—壓電板，通過穩(wěn)態(tài)變換可以增大其輸出電壓，另外，還需要提出一種方法使其固有頻率變?yōu)楣舱耦l率帶，解決該問題后壓電俘能器便可有效地俘獲電能，應(yīng)用于實(shí)際生活中。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為提高俘能器的俘能頻寬，增大輸出電壓，調(diào)節(jié)其固有頻率使之在多頻的自然環(huán)境中更具適應(yīng)性。本發(fā)明基于雙穩(wěn)態(tài)壓電板和滾動(dòng)質(zhì)量球系統(tǒng)，提出一種附帶多質(zhì)量球雙穩(wěn)態(tài)壓電俘能器裝置。利用雙穩(wěn)態(tài)材料特性及滾動(dòng)質(zhì)量球系統(tǒng)對(duì)壓電俘能器進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

一種附帶多滾動(dòng)質(zhì)量球的雙穩(wěn)態(tài)壓電俘能器裝置，其特征在于：所述裝置包括支座、支撐座、雙穩(wěn)態(tài)壓電板、滾動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)；所述支座中的圓柱軸頂端有外螺紋與支撐座中心的螺紋孔配合連接，支座有正方形底板，支座通過底板收集外部振動(dòng)能量；所述雙穩(wěn)態(tài)壓電板由基板、壓電層構(gòu)成，基板是由多層碳纖維材料合成的多層板，基板下表面中心部位粘貼于支撐座上，壓電層粘貼于基板上表面中心部位；所述滾動(dòng)質(zhì)量系統(tǒng)由四個(gè)質(zhì)量箱組成，每個(gè)質(zhì)量箱由箱體、質(zhì)量球、箱蓋構(gòu)成；所述質(zhì)量球裝在箱體中，用箱蓋扣合，箱體內(nèi)壁和質(zhì)量球表面光滑，質(zhì)量球能在箱體中自由滾動(dòng)，四個(gè)質(zhì)量箱分別粘貼在雙穩(wěn)態(tài)壓電板的基板邊線的中垂線上，質(zhì)量箱底面基板側(cè)面位于同一平面；所述壓電層由保護(hù)層、壓電薄膜、電極層構(gòu)成；所述電極層分別附著在壓電薄膜兩端，由電極線導(dǎo)出壓電層外側(cè)；所述壓電薄膜和電極層被保護(hù)層完全包裹。

進(jìn)一步，所述基板為碳纖維材料層合而成的雙穩(wěn)態(tài)板，所述箱體、箱蓋材料為聚甲醛塑料；壓電層材料為極化后的PVDF，電極層材料為銀，電極線材料為銅線，保護(hù)層材料為聚酯，所述支座、支撐座、質(zhì)量球材料為鋼。