[发明专利]一种多频段压电振动能量收集器

说明书

本申请是申请号为201010130519.3、申请日为2010年3月24日、发明名称为“基于动力吸振器的压电振动能量收集装置“的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及的是一种能源利用技术领域的装置，尤其涉及的是一种多频段压电振动能量收集器。

背景技术

无线传感网络、微机电系统和个人移动设备等微小机电系统的共同特点是：能量消耗很低，从几μW到几百mW，但要求使用时间很长，非常关键的是由于使用条件的限制它们一般不能用电力线进行能量供应。目前的电池供能方式存在体积大、寿命短等缺点，而采用太阳能、热梯度等能量进行供电则需要在有相应的阳光或热梯度的环境中进行，这限制了他们的应用。

环境中存在丰富的振动形式的能量，将这些能量收集起来为上述微小机电系统供电成为一种很好的选择。压电材料是一种可以实现机电能量互换的智能材料，当受到交变应力时便会产生源源不断的电能，它可以将振动的能量转换为电能。现在常用的压电材料有压电陶瓷和压电聚合物以及它们的复合物等，其中压电陶瓷的机电转换效率较高，是进行能量收集的优选材料。压电陶瓷常用的发电振动方式为采用电场垂直于长度的长度伸缩模（压电常数为d₃₁）、电场平行于波传播方向的厚度伸缩模（压电常数为d₃₃）和电场平行于波传播方向的厚度剪切模（压电常数为d₁₅），其中：d₃₃约为d₃₁的2~3倍，而d₁₅约为d₃₁的3~4倍。根据应用场合采用合适的工作模式能够提高压电陶瓷的机电转换的效率。在特定的工作模式下要使压电材料产生多的电量就要施加大的应力或者使压电材料产生大的形变。压电叠堆是将多片压电片层叠在一起并在电路上进行串联或并联或者部分串联、部分并联的结构，它主要利用压电常数较高的d₃₃，压电片电路上串联可以提高输出电压，并联可以提高输出电流，可以根据实际收集电路对电压电流的要求进行串、并联设计，在同样大小的外部力作用下，对于同样大小的压电片，层叠的片数越多产生电量就越大，但片数过多增加了体积和成本，需要在实际用电量需求、应用空间要求及配置成本要求间进行权衡。通过对压电叠堆内压电片电路上的串并联设计，使其在增加压电材料长度和受力面积的同时使压电材料发电时的内部阻抗不增加或增加很小，以便于实现与外电路的阻抗匹配。目前，用压电叠堆进行能量收集的方法主要是将其嵌于振动元件中，使其两面受到等同的压（拉）力从而产生电能。如果只是将压电叠堆粘贴于振动元件表面，压电换能器的长度要等于四分之一波长的倍数，这会使压电材料在较低频率下尺寸过长，比如在5kHz下压电材料需要近21cm，因而这种方式只适用于几十千赫到上百千赫的频段。在压电叠堆上面附加一定的质量块再粘贴于振动元件上可以构成具有一定共振频率的弹簧质子结构，在这一共振频率附近电能转换效率很高，但是由于压电陶瓷很硬（刚度高），对于几百赫兹的振动就需要上百公斤的质量块，更难于应用于50Hz以下的频段，而且压电陶瓷受到较大的静态压缩力后压电系数会有一定的下降，使得机电转换效率变得很低，因而这种结构也很难应用。

经过对现有技术的检索发现，中国发明专利公告号：CN1258866，名称：压电产生装置，该装置包括由两个板形的压电陶瓷元件形成的压电陶瓷板，它们是分层的和以反极化彼此接合的，其中借助用硬拍打器拍打压电陶瓷板的一面或两面，从而激励在压电陶瓷板中的挠曲振动来产生电。由于拍打器一次拍打发电的时间是短暂的，需要拍打器持续的拍打才能产生稳定的电能，但它一般只适合于低频振动的情形，特别是拍打器需要有较大的振幅才能起振，这些都限制了它的应用。

发明内容