[發明專利]一種振動能量收集器及其應用

有效

• 申請號: 202010843677.7
• 申請日: 2020-08-20
• 公開（公告）號: CN112039365B
• 公開（公告）日: 2021-08-13
• 發明（設計）人: 鄧華夏;趙子正;焦沖;張進;馬孟超;鐘翔
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: H02N1/04
• 分類號: H02N1/04;H02J7/32
• 代理公司: 合肥天明專利事務所(普通合伙) 34115
• 代理人: 周靜

本發明公開了一種基于液態金屬的振動能量收集裝置，包括兩端開口的空心殼體，空心殼體的兩端分別連接有用于蓋合空心殼體的第一蓋體和第二蓋體；第一蓋體與空心殼體之間以及第二蓋體與空心殼體之間分別對稱設置有摩擦納米發電機組件，摩擦納米發電機組件包括從外至內依次布置的電極和摩擦電材料，以及盛放在空心殼體內部的液態金屬；電極連接有用于傳輸電荷的導線；第一蓋體和第二蓋體上開設有用于供導線穿過的通孔。本發明提供的振動能量收集裝置低頻響應好，工作頻域寬，適用于多方向能量收集，且能夠與多種能量收集結構結合，在雙穩態結構振動能量收集器、懸臂梁振動能量收集器等領域具有很好的應用前景。

技術領域

本發明屬于振動能量收集技術領域，具體涉及一種基于液態金屬的振動能量收集裝置及其應用。

背景技術

隨著無線傳感網絡和微機系統的發展，微電子設備在小尺寸，低功耗方向取得了巨大的進展，而傳統化學電池因為尺寸大，壽命有限，在一定程度上制約了無線傳感網絡和微機系統的發展。此外很多無線傳感網絡和微機系統的節點數量眾多，而整個網絡系統的工作時間又取決于某一單一節點的電池儲量，在某些復雜環境下，電池的更換及維護比較麻煩，增大了成本。因此如果能收集環境中的能量，例如振動能、風能、太陽能等，利用能量收集器先將環境中這些的能量收集起來，然后經過整流升壓等方法將其轉化為穩定可用的電能存儲到儲能元件中，然后再為這些節點供電，提高各節點的續航能力，進而提高整個系統性能，使得無線傳感網絡和微機系統實現一定程度上的自給自足，這將對無線傳感網絡和微機系統的發展起到推動作用。

振動作為自然界中廣泛存在的一種能量，例如海洋的波浪，人體的運動和機械的振動等，具有很大的利用潛力。目前常見的振動能量收集器根據其原理分為電磁式能量收集器、靜電式能量收集器、壓電式能量收集器、磁致伸縮式能量收集器、摩擦納米發電機以及復合式能量收集器。壓電式傳感器由于結構簡單，易于微型化等優點在振動能量收集中應用廣泛，但由于壓電材料脆性大，使用過程中不能承受較大應變，容易疲勞，限制了壓電振動能量收集器的工作效率。近些年來，有科研團隊提出了摩擦納米發電機。摩擦納米發電機的體積小，電壓大，能量密度高，低頻適應性好，十分適用于為無線傳感網絡和微機系統供電。

由于自然界的大多數振動都表現出低頻，寬頻，多方向的特點，使這些振動能量的收集比較困難。專利CN201520956231.X提出了一種低頻電磁能量收集器，但其主要用于收集某一方向的振動能量，且頻帶集中于懸臂梁固有頻率附近。專利 CN201510850660.3提出了一種多方向壓電振動能量收集器，他在環形支架內對稱設置了三個懸臂梁，三個質量塊用彈簧兩兩連接，相互作用，在懸臂梁兩面貼上壓電材料來收集各個方向的振動能量。而針對自然界振動的寬頻特性，很多團隊提出了雙穩態結構的能量收集器，但是當外界激勵振幅較小時，雙穩態能量收集裝置很難越過勢壘，從而只能在單個勢阱內小幅振動，相比于線性能量收集器反而會降低收集能量的效率。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的是提供一種基于液態金屬的振動能量收集裝置，本能量收集裝置能夠適應更低的振動頻率、可拓寬工作頻帶，具有多方向收集振動能量的特點。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種基于液態金屬的振動能量收集裝置，包括兩端開口的空心殼體，所述空心殼體的兩端分別連接有用于蓋合空心殼體的第一蓋體和第二蓋體；所述第一蓋體與空心殼體之間以及第二蓋體與空心殼體之間分別對稱設置有摩擦納米發電機組件，所述摩擦納米發電機組件包括從外至內依次堆放在第一蓋體與空心殼體之間的電極、摩擦電材料，以及盛放在空心殼體內部的液態金屬；所述電極連接有用于傳輸電荷的導線；所述第一蓋體和第二蓋體上開設有用于供導線穿過的通孔。

作為優選的技術方案，所述空心殼體呈圓柱狀，所述空心殼體的外表面具有外螺紋，所述第一蓋體和第二蓋體的內部具有與外螺紋適配的內螺紋，所述第一蓋體、第二蓋體通過內螺紋和外螺紋的配合與空心殼體螺紋連接。