[發明專利]一種能量緩沖型碰撞式壓電能量收集裝置

有效

• 申請號: 201910824435.0
• 申請日: 2019-09-02
• 公開（公告）號: CN110572077B
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發明（設計）人: 劉巖;尚思瑤;莫舒婷;秦紅波;王海
• 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: 陳宏社;王品華

本發明提出了一種能量緩沖型碰撞式壓電能量收集裝置，用于解決現有壓電式振動能量收集裝置有效工作時間短、能量收集效率較低的問題，包括底座、長方形杠桿、安裝板、杠桿固定軸、T型連接件、杠桿連接件、杠桿質量塊、沖擊桿、矩形懸臂梁、壓電片和壓縮彈簧；安裝板固定在底座上，杠桿固定軸和T型連接件固定在兩安裝板間，長方形杠桿通過杠桿連接件與杠桿固定軸固定，其上設置有沖擊桿和杠桿質量塊，矩形懸臂梁安裝在T型連接件上，其上粘貼壓電片，壓縮彈簧與杠桿和T型連接件連接。本發明中長方形杠桿可在較寬頻率范圍環境振動作用下擺動，壓縮彈簧作為能量緩沖裝置緩存富余能量，環境振動消失后繼續驅動裝置工作，提高環境振動能量收集效率。

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，具體涉及一種能量緩沖型碰撞式壓電能量收集裝置。

背景技術

隨著低功耗技術和微電子技術的不斷發展，無線傳感器網絡、可穿戴式智能監測設備等低功耗系統的應用越來越廣泛，而此類設備的能源供應問題亟待解決，而近年來快速發展的能量收集技術為這個問題提供了更有效的解決方案。

能量收集技術可將環境中的各種能量收集起來轉化為電能以供系統使用，可用于能量收集與轉化的環境能量來源非常廣泛，有太陽能、振動機械能等等，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、磁電能量收集裝置和壓電能量收集裝置四類。

由于振動機械能在環境中廣泛存在，因此研究壓電式振動能量收集技術更具現實意義。壓電式振動能量收集裝置主要利用壓電材料所具有的壓電效應將周圍環境中的振動能量收集并轉化為電能。壓電效應又分為正壓電效應和逆壓電效應，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。

在壓電式振動能量收集裝置的設計與應用中，多以能量收集效率衡量所設計結構的優劣，而傳統的壓電式振動能量收集裝置多因收集振動頻率帶寬較窄、振動時間短，難以實現能量的高效收集。因此現有技術方案中，常使用單元陣列、引入非線性元件及使用頻率上轉換結構等幾種方法拓寬振動頻率帶寬。其中，頻率上轉換結構中一般以一個低頻活動部件來感知振動加速度，該活動部件在加速度作用下發生運動，并沖擊壓電梁，使壓電梁以自身較高的自然頻率自由振動，實現能量的轉換與收集。此方法中活動部件可以有效收集低頻振動信號，壓電梁由于工作頻率較高而以較高效率實現機械能到電能的轉換。例如：授權公告號為106357154B，名稱為“多臂耦合型碰撞式壓電能量收集裝置”的發明專利，公開了一種多臂耦合型碰撞式壓電能量收集裝置，該裝置包括外框、壓電振子、彈性基板、基座、單擺結構；壓電振子固定在彈性基板上，單擺結構在環境振動或沖擊的作用下擺動，結構中的撞擊球在擺動過程中與壓電振子自由端碰撞，致使壓電振子以其自然頻率振動。此發明可以有效地收集低頻、高強度沖擊的振動能量，緩解了因低頻振動與收集裝置的諧振頻率不易匹配、頻帶寬度太窄造成的能量收集效率低的問題。但是，由于該結構未設置一定的能量緩沖裝置，當一次性大沖擊振動能量輸入時，有效工作時間較短，難以實現能量的高效收集。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術中存在的缺陷，提供了一種能量緩沖型碰撞式壓電能量收集裝置，利用能量緩沖裝置存儲過大振動下的部分能量，以延長裝置有效工作時間，提升能量收集效率。