一种基于压电材料的流体振动能量收集装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于压电材料的流体振动能量收集装置，包括第一容器、第二容器；所述第一容器、第二容器为长方体或者圆柱体；第二容器套装在第一容器内；第一容器和第二容器之间设有置于PCB板上的数个换能电路，第一容器与第二容器之间的上下端面密封；第二容器内侧开有数个插口，压电换能片一端固定在插口内，压电换能片另一端水平向第二容器中心延伸；压电换能片包括压电陶瓷和基板，压电陶瓷通过接出线路与换能电路正端连接，基板通过接出线路与换能电路负端相连；换能电路个数与压电换能片个数相同且一一相对应连接。该装置根据压电换能片不同的长度形状结构和位置关系，实现了宽频化提升了能量的收集效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于振动能量收集领域，尤其涉及到一种基于压电材料的流体振动能量收集装置。
技术介绍
压电材料在外力的作用下可以产生电荷这一现象已经被发现了几十年了，但受到压电材料发电能力的限制，将这部分电荷收集、储存起来用作驱动微功率电器的电源研究一直很少。近年来，高集成低功耗电子元件和无线电射频技术的使用，为压电能量收集技术的应用提供了前提。并且传感器、微处理器和射频器件的功耗不断降低，系统能量收支逐渐趋于平衡，微型环境能量收集技术再次成为国内外的研究热点。振动能量收集装置可分为电磁式、压电式和静电式三种。电磁式装置基于电磁感应原理利用磁体振动时切割线圈产生感应电能，可用于人体振动能量捕获和微振动发电，但是具有结构复杂、体积较大的缺陷。静电转换可以直接产生2V至几伏电压，可以和微机电系统结合，但是静电转换需要一个独立电压源初始化转换过程。压电式装置的工作原理是利用压电材料在受外界机械作用发生形变，形成内应力的情况下会产生电场。结构简单、不发热、无电磁干扰、易于加工制作和实现结构上的小型化、集成化等，尤其适用于各类传感及检测系统。所以压电式振动能量收集装置为最佳选择。压电能量收集研究在日本及欧美等国家开始比较早，而国内对压电发电的研究尚在初级阶段。早在1984年，美国科学界Hausler与Stein将PVDF薄片安置在生物体上，以生物体呼吸时肋骨伸张运动所产生的能量作为研究基础，将生物运动时产生的能量转换为电能。这是关于压电能量收集可行性研究的起点。1996年，日本科学家对压电式能量捕获装置转化效率进行了研究。实验装置由一个钢球和简支梁式压电陶瓷板组成，钢球撞击压电陶瓷板，使其发生弯曲变形发出电信号，测试压电陶瓷材料的众多因素对压电陶瓷发电效率的影响。这是关于压电能量收集转换效率的研究。1997年，同一个日本科学家测试了以电容为储存媒介的压电能量储存方式。测试发现压电振子输出电荷量随外接储存电容值的增加而增加，同时也随压电振子摆动时间的增加而增加。此实验中压电换能元件的最大转换效率为35％，是太阳能电池转换效率的三倍。在国内，2002年，南京航空航天大学孙亚飞等人通过在压电驱动器收缩时存储于其电场和应变场中的能量，借助瞬时电容器所构成的系统实现电荷的回收与利用。2011年,上海交通大学的马华安等人设计了基于环境能量采集的压电振动能量发出采集装置可以拓宽5Hz的工作频带，但是仍然采用悬臂梁形式，当环境振动方向与悬梁臂振动方向不同，形变急剧减少，并且使用范围有限。现在国内压电材料多用于变压器，换能器，滤波器，超声振子等，而且用压电材料做发电和能量收集在国内还很少见。综上所述，当前对压电能量收集系统的研究和开发正处于兴起状态，市场处于起步阶段，因此无论是从技术还是市场角度，这一领域在未来均具有很大的发展和上升空间。压电式装置的工作原理是利用压电材料在受外界机械作用发生形变，形成内应力的情况下会产生电场；现有技术中，压电换能片振动能量收集领域存在振动频率单一的问题，这导致当在环境中的振动频率不易达不到固有频率，压电换能片输出电量效果差。为了解决这种问题，并将压电片使用的场所拓宽，使其能在空气以及水流之中收集能量，根据空气流速、水流流速的不同，将压电换能片按照一定的长度形状结构和位置关系结合在一起从而设计出一种振动能量收集装置。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于压电材料的流体振动能量收集装置，该装置根据压电换能片不同的长度形状结构和位置关系结合，从而实现宽频化提升能量的收集效果，该装置可以随时在环境中有水流的地方，或者风流量大的地方收集电能。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于压电材料的流体振动能量收集装置，包括第一容器、第二容器；所述第一容器、第二容器为长方体或者圆柱体；所述第一容器、第二容器等高且为中空结构，第二容器套装在第一容器内；第一容器和第二容器之间设有置于PCB板上的数个换能电路，第一容器与第二容器之间的上下端面密封；所述第二容器内侧开有数个插口，压电换能片一端固定在插口内，压电换能片另一端水平向第二容器中心延伸；所述压电换能片包括压电陶瓷和基板，压电陶瓷通过接出线路与换能电路正端连接，基板通过接出线路与换能电路负端相连；所述换能电路个数与压电换能片个数相同且一一相对应连接。进一步的，所述压电换能片自上而下呈阵列分布；压电换能片长度由短到长排列，压电换能片个数为n，当n＜10时，第n片比第(n-1)片长度增加10％；当n<20时，第n片比(n-1)片长度增加5％；且压电换能片的最大长度不大于长方体在该方向上的边长或压电换能片的最大长度不大于圆柱体的直径。进一步的，第一容器、第二容器的材质为有机玻璃；第一容器与第二容器之间的上下端面通过玻璃胶粘结有机玻璃密封。进一步的，换能电路均为二倍压整流电路。进一步的，换能电路为将压电换能片收集到的交流电通过整流电路进行整流，然后滤波电路滤波后，经过电荷泵电路对电压进行升压，最后将升压后的电路输出。进一步的，电荷泵电路的时钟信号由振荡电路提供。进一步的，压电陶瓷为可选压电陶瓷PZT。进一步的，压电换能片一端通过玻璃胶固定在插口内。有益效果：1.可以将本专利技术放在水槽中比如洗手池中，将水池中流入下水道的水流能量转化为电能，达到一个能量再生利用的效果，节约资源。2.当放在室外有风吹动的地方(如空调的出风口)可以收集风能，将风能转化为电能，给电子设备供电。3.长方体或圆柱体振动能收集装置大大减少了该装置的物理尺寸，节省了空间，拓宽了振动能收集的领域，并且具有便携式的特点。4.压电换能片的排列压电换能片自上而下呈阵列分布；压电换能片长度由短到长排列利于对流体振动能量的收集。5.压电换能片的长度和宽度一样，长度从上到下依次增长，，不同长度的压电片是为了提高整个系统的工作频带宽度，利于整个系统在不同的水流(气流)速度条件下能够达到共振频率，实现了振动能宽频化的吸收提高功率输出。6.将整个换能电路和储能元件放置在第一容器、第二容器之间，充分利用了内部的空间，大大节省了整个系统的体积，同时第一容器、第二容器之间上下端面密封式装置，起了很好的隔离性，整个电路不会进水，起到了一个安全性和便捷性的效果，整个系统可随身携带。7.压电换能片收集到的电流通过整流电路的整流，滤波电路对整流电路输出的电流进行滤波，从而使波形更加平滑，最后通过电荷泵对升压电路对电压值进行升压，从而得到适合应用的电源。附图说明<本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于压电材料的流体振动能量收集装置，其特征在于，包括第一容器(5)、第二容器(4)；所述第一容器(5)、第二容器(4)为长方体或者圆柱体；所述第一容器(5)、第二容器(4)等高且为中空结构，第二容器(4)套装在第一容器(5)内；第一容器(5)和第二容器(4)之间设有置于PCB板上的数个换能电路(6)，第一容器(5)与第二容器(4)之间的上下端面密封；所述第二容器(4)内侧开有数个插口(3)，压电换能片(10)一端固定在插口(3)内，压电换能片(10)另一端水平向第二容器(4)内侧延伸；所述压电换能片(10)包括压电陶瓷(1)和基板(2)，压电陶瓷(1)通过接出线路与换能电路(6)正端连接，基板(2)通过接出线路与换能电路(6)负端相连；所述换能电路(6)个数与压电换能片(10)个数相同且一一相对应连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于压电材料的流体振动能量收集装置，其特征在于，包括第一容器(5)、第二
容器(4)；
所述第一容器(5)、第二容器(4)为长方体或者圆柱体；
所述第一容器(5)、第二容器(4)等高且为中空结构，第二容器(4)套装在第一容器
(5)内；第一容器(5)和第二容器(4)之间设有置于PCB板上的数个换能电路(6)，第
一容器(5)与第二容器(4)之间的上下端面密封；所述第二容器(4)内侧开有数个插口(3)，
压电换能片(10)一端固定在插口(3)内，压电换能片(10)另一端水平向第二容器(4)
内侧延伸；所述压电换能片(10)包括压电陶瓷(1)和基板(2)，压电陶瓷(1)通过接出
线路与换能电路(6)正端连接，基板(2)通过接出线路与换能电路(6)负端相连；所述换
能电路(6)个数与压电换能片(10)个数相同且一一相对应连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电材料的振动能量收集装置，其特征在于，所述压
电换能片(10)自上而下呈阵列分布；压电换能片(10)长度由短到长排列，压电换能片(10)
个数为n，当n＜10时，第n片比第(n-1)片长度增加10％；当n<20时，第n片比(n-1)
片长度增加5％；且压电换能片(...

【专利技术属性】
技术研发人员：白雪，潘祎雯，赵文祥，徐雷钧，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32