一种超低频多方向压电振动能量收集器及能量收集方法与流程

1.本发明属于新能源器件技术领域，特别涉及一种超低频多方向压电振动能量收集器及能量收集方法。


背景技术：

2.压电振动能量收集器利用了压电材料形变产生电荷发电。压电悬臂梁是典型的振动发电结构，尤其是pvdf柔性压电悬臂梁，具有容易变形和抗疲劳的优势。此外通过阵列压电悬臂梁可提高压电输出功率。环境里低频和多方向的随机振动占据主流，如人体的运动，车辆的晃动，线路的舞动等。然而现有的压电悬臂梁结构是收到固支端激振而振动发电，谐振频率高且激振方向单一，如何设计超低频和多方向的压电振动能量收集器成为挑战。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明提出了一种超低频多方向压电振动能量收集器及能量收集方法，本发明能够实现在超低频下进行多方向的能量收集。
4.本发明采用的技术方案如下：
5.一种超低频多方向压电振动能量收集器，包括外壳、质量球和若干压电悬臂梁，若干压电悬臂梁的固支端与外壳侧壁连接，若干压电悬臂梁沿外壳的不同方位设置，若干压电悬臂梁的自由端向外壳的中心延伸，质量球设置于外壳内并位于若干压电悬臂梁的上方，所述质量能够在所述若干压电悬臂梁形成的支撑面上自由滚动。
6.优选的，所述压电悬臂梁设置四个，四个压电悬臂梁呈旋转对称方式布置，相邻的两个压电悬臂梁相互垂直，每个压电悬臂梁自由端其中的一个拐角位于外壳的中心。
7.优选的，外壳采用空心长方体或正方体外壳，外壳的每个侧壁对应垂直连接一个压电悬臂梁。
8.优选的，外壳包括底板、下框架、上框架和盖板，压电悬臂梁的固支端通过下框架和上框架加持固定；底板与下框架的底部端面连接，盖板与上框架的顶部端面连接。
9.优选的，压电悬臂梁与外壳之间的距离小于质量球的半径。
10.优选的，质量球采用钢球。
11.优选的，本发明超低频多方向压电振动能量收集器还包括用于交直流转换的整流桥，每个压电悬臂梁电流输出端口与整流桥连接。
12.优选的，每个压电悬臂梁对应连接的整流桥输出端串联或并联。
13.优选的，所述压电悬臂梁采用pvdf压电单晶片。
14.本发明还提供了一种能量收集方法，该方法采用本发明如上所述的超低频多方向压电振动能量收集器进行，包括如下过程：
15.当所述超低频多方向压电振动能量收集器移动时，质量球在所有压电悬臂梁形成的支撑面上自由滚动，质量球在滚动过程中能够使任意一个压电悬臂梁发生变形、输出电流，将压电悬臂梁输出的电流进行收集。
16.本发明具有如下有益效果：
17.本发明超低频多方向压电振动能量收集器中，通过设置若干压电悬臂梁，这些压电悬臂梁在外壳的内腔能够形成一支撑面，质量球设置于外壳内并位于若干压电悬臂梁的上方，质量能够在所述若干压电悬臂梁形成的支撑面上自由滚动，因此，当使用该能量收集器时，通过质量球的压电悬臂梁形成的支撑面上进行滚动，质量球在滚动过程中能够使任意一个压电悬臂梁发生变形、输出电流，将压电悬臂梁输出的电流进行收集。由于若干压电悬臂梁沿外壳的不同方位设置，因此本发明能够在不同方位下实现能量收集；采用的质量球和压电悬臂梁的结构，使得本发明在超低频(如人体运动、车辆的晃动、线路的舞动这些运动对应的频率范围)条件下实现能量的收集，适用于可穿戴设备自供电。
附图说明
18.图1为本发明超低频多方向压电振动能量收集器的示意图；
19.图2为本发明超低频多方向压电振动能量收集器的俯视图；
20.图3为本发明超低频多方向压电振动能量收集器的实施例样机照片；
21.图4为本发明超低频多方向压电振动能量收集器的实施例样机振动发电输出信号；
22.图5为本发明超低频多方向压电振动能量收集器的四压电输出串联电路示意图。
23.附图中：1为底板，2为下框架，3
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1为第一pvdf压电单晶片、3
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2为第二pvdf压电单晶片、3
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3为第三pvdf压电单晶片、3
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4为第四pvdf压电单晶片，4为钢球，5为上框架，6为盖板。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
25.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系，是基于附图所示的方位或位置关系而进行描述，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、或特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
26.参照图1
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图3，本发明超低频多方向压电振动能量收集器，包括外壳、质量球和若干压电悬臂梁，若干压电悬臂梁的固支端与外壳侧壁连接，若干压电悬臂梁的自由端向外壳的中心延伸，质量球设置于外壳内并位于若干压电悬臂梁的上方，所述质量能够在所述若干压电悬臂梁形成的支撑面上自由滚动。
27.作为本发明优选的实施方案，参照图1和图2，所述压电悬臂梁设置四个，四个压电悬臂梁呈旋转对称方式布置，相邻的两个压电悬臂梁相互垂直，每个压电悬臂梁自由端其中的一个拐角位于外壳的中心。这种结构设计使得四个压电悬臂梁的端部在自由状态下形成无缝接触(如图2所示)，这样使得质量球在这四个压电悬臂梁形成的支撑面上自由滚动，防止压电悬臂梁之间过大的缝隙会影响质量球的滚动轨迹，影响能量收集的效率。
28.作为本发明优选的实施方案，外壳采用空心长方体或正方体外壳，外壳的每个侧壁对应垂直连接一个压电悬臂梁。该结构制作起来相对简单。
29.作为本发明优选的实施方案，外壳包括底板1、下框架2、上框架5和盖板6，压电悬臂梁的固支端通过下框架2和上框架5加持固定；底板1与下框架2的底部端面连接，盖板6与上框架5的顶部端面连接。盖板6与压电悬臂梁之间的净距离要大于质量球的直径。
30.作为本发明优选的实施方案，压电悬臂梁与外壳之间的距离小于质量球的半径，如图2所示，这样能够防止质量球掉入电悬臂梁与外壳之间的缝隙，影响质量球的运动轨迹，降低能量收集的效率。
31.作为本发明优选的实施方案，质量球采用钢球，钢球的惯性大，密度高，在满足压电悬臂梁变形产电的情况下，有助于整个能量收集器的小型化。
32.作为本发明优选的实施方案，本发明超低频多方向压电振动能量收集器还包括用于交直流转换的整流桥，每个压电悬臂梁电流输出端口与整流桥连接，通过设置整流桥，能够使得本发明的能量收集器直接收集到直流电，便于直接使用。
33.作为本发明优选的实施方案，每个压电悬臂梁对应连接的整流桥输出端串联或并联。
34.作为本发明优选的实施方案，所述压电悬臂梁采用pvdf压电单晶片。
35.本发明还提供了一种能量收集方法，该方法采用本发明如上所述的超低频多方向压电振动能量收集器进行，包括如下过程：
36.当所述超低频多方向压电振动能量收集器移动时，质量球在所有压电悬臂梁形成的支撑面上自由滚动，质量球在滚动过程中能够使任意一个压电悬臂梁发生变形、输出电流，将压电悬臂梁输出的电流进行收集。
37.实施例
38.参照图1，本实施例的超低频多方向压电振动能量收集器，包括底板1、下框架2、四个相同的pvdf压电单晶片(分别为第一pvdf压电单晶片3
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1、第二pvdf压电单晶片3
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2、第三pvdf压电单晶片3
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3和第四pvdf压电单晶片3
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4)、钢球4、上框架5和盖板6。下框架2的下端面粘接在底板1上，第一pvdf压电单晶片3
‑
1、第二pvdf压电单晶片3
‑
2、第三pvdf压电单晶片3
‑
3和第四pvdf压电单晶片3
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4的一端分别粘接在下框架2的四个上端面上，第一pvdf压电单晶片3
‑
1、第二pvdf压电单晶片3
‑
2、第三pvdf压电单晶片3
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3和第四pvdf压电单晶片3
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4分别和下框架2上对应的侧面垂直，形成如图2所示的风车阵列结构(四个pvdf压电单晶片呈旋转对称方式布置，相邻的两个压电悬臂梁相互垂直，第一pvdf压电单晶片3
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1自由端的左顶点、第二pvdf压电单晶片3
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2自由端的下顶点、第三pvdf压电单晶片3
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3自由端的右顶点和第四pvdf压电单晶片3
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4自由端的上顶点外壳的轴心(也即下框架2的轴心)，具体的，第一pvdf压电单晶片3
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1的右侧边和第三pvdf压电单晶片3
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3的左侧边共线，第二pvdf压电单晶片3
‑
2的下侧边和第四pvdf压电单晶片3
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4的上侧边共线，第一pvdf压电单晶片3
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1自由端的顶边与第二pvdf压电单晶片3
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2的下侧边相接触、第二pvdf压电单晶片3
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2自由端的顶边与第三pvdf压电单晶片3
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3的左侧边接触、第三pvdf压电单晶片3
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3自由端的顶边与第四pvdf压电单晶片3
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4的上侧边接触，第四pvdf压电单晶片3
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4自由端的顶边与第一pvdf压电单晶片3
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1的左侧边接触)，第一pvdf压电单晶片3
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1、第二pvdf压电单晶片3
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2、第三pvdf压电单晶片3
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3和第四pvdf压电单晶片3
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4形成了钢球4的滚动平面。钢球4放置在四个相同的pvdf压电单晶片上方。上框架5的下端面粘接在下框架2上，压住四个相同的pvdf压电单晶片根部形成悬臂梁结构，盖板6粘接在上框架5的上端面。底板和盖板封住上下方形框架，
并限制钢球运动空间和压电悬臂梁位移。当框架在各方向运动或低频振动时，钢球由于惯性在框架内滚动，压迫压电悬臂梁阵列变形发电。如图5所示，四个pvdf压电悬臂梁电流输出端口分别接整流桥，将交流电转换为直流电后四者串联，从而实现发电电压的叠加和发电功率的提升。
39.本发明的方形框架固定四个pvdf压电悬臂梁成风车状阵列，钢球可感知多方向的振动，在框架内滚动，压迫压电悬臂梁阵列变形发电。压电悬臂梁阵列输出电流可分别整流后再串联，从而实现发电电压的叠加和发电功率的提升。
40.按照本实施例的上述方案，制备了如图3所示的超低频多方向压电振动能量收集器，其中，为了便于观察和制备，底板、下框架、上框架和盖板采用了透明的亚克力，四个pvdf压电单晶片尺寸相同，上下框架除了厚度尺寸不同，长宽尺寸相同，其各部分尺寸如表1所示。
41.表1
42.符号参数名称数值l
p
压电单晶片长度25mmw
p
压电单晶片宽度13mml
f
框架边长40mmw
f
框架内外的宽度2mmd钢球直径10mm
43.本实施例超低频多方向压电振动能量收集器样机振动发电输出信号如图4所示，该图为手持该能量收集器样机上下左右晃动时的试验曲线，表明了本发明超低频多方向压电振动能量收集器在低频、多方向上具有较好的能量收集效果。
44.综上，本发明超低频多方向压电振动能量收集器，由于四个压电悬臂梁成风车状阵列非常紧凑，钢球质量块是共享的，因此封装体积小，发电能量密度高。并且可以收集超低频多方向的晃动和振动。四个压电悬臂梁整流后串联输出电压叠加，输出功率高。该结构可安装于手腕或者四肢，方便用于可穿戴设备自供电。