[发明专利]一种附带多质量球的双稳态压电俘能器装置

说明书

本发明公开了一种附带多滚动质量球的双稳态压电俘能器装置，是一种将振动能转化为电能的装置；所述装置由支座、支撑座、双稳态压电板、滚动质量系统组成。多态压电板由基板、压电层构成，中心部位粘贴于支撑座上；基板是由多层碳纤维材料合成的双稳态板，利用双态板更加明显的跳变行为可以大幅提高俘能器的俘能效果。滚动质量系统由粘贴在基板四周边线的中垂线上的四个质量箱组成，每个质量箱由箱体、质量球、箱盖构成；质量球随压电板的大幅振动在箱体中不断滚动，促使压电板的稳态跳变，而且调节并降低了该俘能装置压电板的固有频率，增大其俘能频宽。俘获电能可供小型电子元器件或振动监测设备使用。

技术领域

本发明涉及一种附带多质量球双稳态压电俘能器装置，通过结构整体振动引起的双稳态材料及压电材料的形变来产生电能，属于压电发电技术及新能源技术领域。

背景技术

自工业革命至今，传统能源如石油、天然气、煤炭等不可再生能源的过量使用在加速科技发展的同时，对人们的生存环境也造成了不可恢复的破坏，并且能源的消耗速度也极为惊人，所以新能源的开发及新型材料的利用得到了世界各国的重视。而且随着微机电技术的发展，微型高精度制造技术的应用和普及，微型结构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，占用空间小等特点往往应用于无线传感器上，将其放置在距离远，不易接触的位置上，用于检测被测物体的实时状态。然而，在元器件电池耗尽时，由于其安装位置又使其更换电池变成了极为棘手的问题，因此使用新型材料在吸收振动的同时完成自供电便完美的解决了该问题。

压电俘能器主要利用压电材料的压电效应俘获环境中的振动能量并将其转化为电能的设备。压电材料具有压电效应，在材料发生形变时，材料上下表面会产生等量正负电荷，产生电势差。双稳态复合材料是一种具有两种稳定状态，且两种状态几何构型不同的材料。在一定载荷激励下可以使结构在两种稳态下转变，并且不需要持续的外载荷来保持稳定。在双稳态材料上附加压电材料可以利用稳态之间的跳变来使压电材料形变增大，从而获取更高的电能。

自然环境中的每个物体都有其自身的固有频率，该频率有物体本身决定，物体在该频率下发生振动时，其结构形变最大。因此压电俘能器在其固有频率下发生振动时俘能效果最好，然而自然环境中的振动源频率往往是不固定的，因此需要俘能器拥有一个共振频率带，在此范围内均可获得较大位移。

由此可见，压电板俘能装置的核心部件—压电板，通过稳态变换可以增大其输出电压，另外，还需要提出一种方法使其固有频率变为共振频率带，解决该问题后压电俘能器便可有效地俘获电能，应用于实际生活中。

发明内容

本发明的目的是为提高俘能器的俘能频宽，增大输出电压，调节其固有频率使之在多频的自然环境中更具适应性。本发明基于双稳态压电板和滚动质量球系统，提出一种附带多质量球双稳态压电俘能器装置。利用双稳态材料特性及滚动质量球系统对压电俘能器进行了创新设计。

一种附带多滚动质量球的双稳态压电俘能器装置，其特征在于：所述装置包括支座、支撑座、双稳态压电板、滚动质量系统；所述支座中的圆柱轴顶端有外螺纹与支撑座中心的螺纹孔配合连接，支座有正方形底板，支座通过底板收集外部振动能量；所述双稳态压电板由基板、压电层构成，基板是由多层碳纤维材料合成的多层板，基板下表面中心部位粘贴于支撑座上，压电层粘贴于基板上表面中心部位；所述滚动质量系统由四个质量箱组成，每个质量箱由箱体、质量球、箱盖构成；所述质量球装在箱体中，用箱盖扣合，箱体内壁和质量球表面光滑，质量球能在箱体中自由滚动，四个质量箱分别粘贴在双稳态压电板的基板边线的中垂线上，质量箱底面基板侧面位于同一平面；所述压电层由保护层、压电薄膜、电极层构成；所述电极层分别附着在压电薄膜两端，由电极线导出压电层外侧；所述压电薄膜和电极层被保护层完全包裹。

进一步，所述基板为碳纤维材料层合而成的双稳态板，所述箱体、箱盖材料为聚甲醛塑料；压电层材料为极化后的PVDF，电极层材料为银，电极线材料为铜线，保护层材料为聚酯，所述支座、支撑座、质量球材料为钢。