低频双稳态复合材料板压电发电装置的制作方法

本发明涉及一种低频双稳态复合材料板压电发电装置，可有效收集周围环境的振动机械能进行发电，属于节能技术及再生环保新能源领域。

背景技术：

随着微机电技术的快速发展，从环境中捕获能量为低功耗设备供电或为蓄电池供电已成为迫切的需求；传统电池供电具有一系列的弊端，比如寿命短、需要定期更换、污染环境等；无论哪一条弊端都严重影响微电子技术的发展；因此，利用环境振动产生能量为电子设备供电是很有必要的。

由于双稳态板在振动过程中具有跳变行为，振幅相对较大，其应用性值得人们关注。中国发明申请(公开号CN104079208A)公开了一种在低速水流冲击下压电发电装置及方法，采用低速水流直接冲击复合压电双稳态板，带动复合压电双稳态板随着低速水流在两种稳态间往复变形，进而使得压电材料产生形变后产生电能并收集，此发明实现了将低速波浪能转化为电能的功能；中国发明申请(公开号CN104079207A)公开了一种捕获垂直方向波浪能的压电发电装置及方法，该发明与上述发明除了结构上的区别外，发电原理是一样的，同样利用双稳态板的跳变行为发电，都是把将低速波浪能转化为电能的发电装置。中国发明申请(公开号CN102790548A)公开了一种双稳态复合悬臂梁压电发电装置，该发明使用双稳态梁作为振子发电，而双稳态板由于其振动时板的挠度比较大，且压电层铺设面积大，因此，双稳态板压电发电装置发电量会更大，发电效率会更高。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供了一种新型的高效率的双稳态复合材料板压电发电装置，既要降低双稳态复合材料板的固有频率，又要增大该系统受激时的发电量，本发明旨在寻求双稳态复合材料板的最佳铺设方式和比例。

为了解决双稳态复合材料板发电装置的上述问题，本发明给出的解决方案如下：

对于降低双稳态复合材料板的固有频率问题上，本发明采用的实验方案是低频双稳态复合材料板压电发电装置，在基板(3)四周加上质量块(2)，基板(3)材料是双稳态碳纤维层合板，且质量块(2)材料为黄铜、钢、钛合金、铝或铝合金中的一种，压电层(1)铺设在基板(3)的中间；压电层(1)的材料是PVDF压电薄膜。电极(4)分别附着在压电层(1)的两个面上，由引线引出形成电流。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、利用双稳态复合材料板压电发电系统固有的非线性特性，在环境振动激励作用下使双稳态复合材料板发生共振，与传统压电发电装置相比，双稳态板系统的非线性行为更为明显，所以产生的电量也相对较多。

2、本发明发电装置可以吸收周围环境的各种机械能，现有的技术是把波浪能转化为电能，相比于现有的技术，本发明适用性更广，更加精简灵活，易于加工，并可用于微机电结构。

3、现有的发明专利中，以悬臂梁为振子的压电发电装置有很多，悬臂梁具有频率低的特点，但以双稳态复合材料板的压电发电装置还比较少，当然，双稳态板和双稳态梁有很大的共性，相比传统压电发电装置都会有较高的电量输出，但双稳态复合材料板压电发电装置相比悬臂梁为振子的压电发电装置，由于其压电层铺设面积大的优点，发电效率会大大提高。

附图说明

图1是本发明中双稳态复合材料板的压电发电装置的主视图；

图2是本发明双稳态复合材料板的压电发电装置的俯视图；

图3是本发明双稳态复合材料板的压电发电装置的立体图；

图4是本发明不同铺设比例的压电层发电量性能曲线图；

图5是本发明装置加载不同大小质量块的固有频率对比图；

图中：1、压电层，2、质量块，3、基板，4、电极。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，低频双稳态复合材料板压电发电装置，该装置主要包括基板(3)、压电层(1)、质量块(2)以及电极(4)；该装置基板(3)采用双稳态复合材料板，所述基板(3)为正方形板，厚度为0.5mm，中间可加工螺纹孔，基板(3)通过螺钉固定于基座上；基板(3)的四角粘接有四个正方形质量块(2)；且质量块(2)铺设位置不能距离压电层太近，以免最大应力集中在压电层(1)边缘，造成系统撕裂破坏。压电层(1)是由压电材料做成的正方形薄膜，大小为48mm，铺设于基板(3)正中间；电极(4)分别附着在压电层(1)的两个面上，由引线引出形成电流。

所述压电层(1)材料选用PVDF压电薄膜；所述基板(3)材料为黄铜、钢、钛合金、铝和铝合金中的一种；所述质量块(2)材料与基板(3)材料一致，所述电极(4)为铜网铺设。

当压电发电装置受到外界机械振动激励发生共振时，外界的振动引起基板(3)的振动，基板(3)的振动会引起压电层(1)的变形，压电层(1)发生形变时会因压电效应产生电能；致使此装置具有较低的振动频率和较大的振幅，从而使得共振频率降低的同时不影响装置的发电效率。

为了考察系统发电量大小与压电层铺设长度的关系，选择用9种不同大小的压电层，初步设定的压电层(1)的尺寸比例分别为基板(3)总长度的0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1。基板四角分别粘接三种底面积边长为15mm，厚度分别为5mm，10mm，15mm的铝质质量块(2)。附图1为该发电装置的剖视图，图2是该发明装置的俯视图，图3是该发明装置的立体图，并把本装置安装在激振器上，给予一定量激励，便可测得系统输出电压，以及通过扫频可以测得系统的固有频率；并通过收集实验数据，绘制出不同铺设比例压电层的发电效率曲线图如附图4所示；图5是加上三种不同厚度质量块的固有频率前后对比图，由图4和图5可以得到两个结论：

1、系统加上质量块后固有频率大大降低，对于三种厚度的质量块(2)，当铺设15mm厚的质量块(2)时，双稳态复合材料板的固有频率最小，因此在系统的承载范围内，加大质量块(2)的质量可以进一步降低系统固有频率。

2、随着压电层铺设面积增大，系统的发电量越大，当压电层(1)的铺设长度比例在0.48的时候，系统输出电压取到最高值，之后由于压电层的增大使得系统刚度增加，因此板的挠度降低，致使发电量不再随压电层面积增大而增大。

因此通过实验结论得到一个最佳铺设方案，即：当压电层(1)铺设长度比例在0.48的时候，系统发电量最大。并且通过在基板(4)四角加载质量块的方法对系统进行降频。

对于质量块(2)的选取问题上：由于质量块(2)质量越大，双稳态复合材料板的固有频率就越小，所以通过增加质量块(2)质量的方法对装置的固有频率进一步的降低，但质量块(2)质量一味的增大势必会造成系统中间固定端应力集中，致使系统稳定性不足，从而造成系统损坏，因此使用前应对系统进行强度校核和刚度校核，系统添加质量块(2)后的最大应力应小于基板(3)材料的许用应力，系统自身重量引发的挠度应小于基板材料的许用挠度，一般不可超过基板质量，可根据实际情况自行调整。

综上所述：本发明低频双稳态复合材料板压电发电装置，经加载质量块调节后的固有频率较低，可以更容易受外界振动影响发生共振，该压电装置受到外界振动激励产生的电压也很大，利用双稳态板固有的非线性特性，在环境振动激励使复合材料板发生随机共振，发电效率明显提高。

本发明的低频双稳态复合材料板结构可用于微机电产品，如无线传感器节点、飞行器及卫星元器件等，也可用于运动发电，如运动鞋底部装有压电发电装置或公路铺设压电发电装置等。