[发明专利]基于压电效应的弧形振动能量采集器

说明书

技术领域

本发明涉及一种能量采集装置，可用来收集环境中的振动能量。属于节能技术及再生环保新能源领域。

背景技术

能量采集是一项新兴技术。通过这一技术，周围环境中的振动能量例如车辆、建筑的振动或者人体的运动，可以被收集起来，转化为电能，供低功耗的电子设备使用。众所周知，为大部分电子设备提供能量的电池有寿命短、能量密度低等诸多弊端。而且电池很难被小型化，对环境也有危害。能量采集技术有望去除电池的诸多弊端，实现电子设备的长久自主运行。能量采集器可以被用作电源为多种设备供电，例如心脏起搏器，智能穿戴设备，汽车传感器和其他低功耗无线传感器。

有很多种能量源可以被能量采集技术所利用，包括热能、太阳能、风能和振动能量。在它们之中，振动能是最丰富和普遍存在的。当前主要有三种方式来收集振动能量：电磁式、静电式和压电式。和其它两种方式相比，压电式有易于小型化、无需外电源、结构简单、能量密度高的优势。

大部分现有压电能量采集器是基于悬臂梁结构的。这种结构是由一个横梁和附着在其表面的压电片组成的。横梁一端固定，另一端连接一个质量块用来吸收更多的振动能量同时调节共振频率。工作时，振动基体引起悬臂梁周期性的振动，进而产生弯曲应力于压电片上。通过压电效应，应力能被转化为电能(参考：e.g.S.AntonandH.Sodano,“TopicalReview:Areviewofpowerharvestingusingpiezoelectricmaterials(2003-2006).”SmartMaterialsandStructure16R1-R21,2007；andS.Roundy,andPaulK.Wright.Apiezoelectricvibrationbasedgeneratorforwirelesselectronics.SmartMaterialsandstructures13.5,1131,2004)。这种简单的悬臂梁结构尽管被广泛采用但其能量密度还是达不到现有电子设备的需求。最近，为了提高能量采集器的性能，研究人员提出了多种其他的能量采集器，包括两端固定梁，垂直放置梁，弯曲梁，S或L形梁，不均一梁，等等(参考：S.Roundy,etal.Improvingpoweroutputforvibration-basedenergyscavengers.PervasiveComputing,IEEE4.1(2005):28-36；andS.IbrahimandW.AliAreviewonfrequencytuningmethodsforpiezoelectricenergyharvestingsystems.Journalofrenewableandsustainableenergy4.6(2012):062703，US.Pat.No.8,110,964B2,Wei-HengShihetc.；US.Pat.No.2007/0284969A1,ZhengYi-DanielXu,etc.；US.Pat.No.2013/0062999A1,A.S.M.Muker-Uz-Zaman,etc.；US.Pat.No.7,948,153B1,RickA.Kellogg,etc；US.Pat.No.2008/0074002A1,ShashankPriya,etc.)。除了这些梁机构，其他一些更为复杂的机构也被提出了。专利(US20100084947A1，Seok-JinYoon等)提出了一个螺旋板结构来提高能量采集器的效率。专利(US20050057123A1，KenDeng)提出了一个种铙钹机构，其中一个压电陶瓷盘被一对金属铙钹夹在中间。振动通过铙钹传递到压电陶瓷盘上，进而产生电能。类似的铙钹结构在其他专利也中有所描述(US.Pat.No.2010/0096949A1,Tian-BingXu,etc.；US.Pat.No.9,048,759B2,Tian-BingXu,etc.)。分析现有多种形式的能量采集器，可以发现其核心部分都是一片扁平的压电板。