一种环境振动能量收集与存储系统的装置的制作方法

本发明涉及一种能量收集装置，具体是一种环境振动能量收集与存储系统的装置。

背景技术

随着现代高新技术和集成电路技术的不断发展，低功耗智能设备的研发获得很大的进步，如智能手机、笔记本电脑、平板电脑等。与之相关的微型能源技术和新材料的开发相对滞后，已经不能满足人们的需要。同时，电子设备供能需要考虑很多因素如体积、能量多少、重复利用率等，所以电子设备的能量供给影响电子产品的应用范围和应用环境。随着生产生活对能源需求的增加，许多新型能源被开发利用，例如风能、太阳能、潮汐能、核能、生物质能等。风能和潮汐能均有应用场合的限制，风能适用于风能充足且密度大的地方，潮汐能大多应用于海边。太阳能是目前利用最广和发展最快的新型清洁能源，但是受天气的影响比较大。自然环境中还有很多的可再生能源可以开发利用，物体振动随处可见且具有收集利用的价值。如何把环境中的振动能量收集利用是很多科研人员一直在探讨的话题，人们已经取得很多研究成果。

目前收集自然环境中振动能量的主要方式有电磁式振动能量收集、静电式振动能量收集和压电式振动能量收集，其中以压电式能量收集方式的研究最多。这是由于压电式能量收集装置结构简易、无环境污染、体积易于简化和减小等优点。随着新型压电材料的发现，使用压电效应收集振动能量的研究成果越来越多，目前振动的能量收集装置有很多成熟的结构，如悬臂梁单晶/双晶结构、cymbal结构、叠堆形结构等。

本发明中采用悬臂梁结构收集自然环境中的振动能量，通过全波整流和dc-dc变换后将能量存储在锂电池中，输出参数为5v1a或5v2a。以压电陶瓷的压电效应为基础，讨论悬臂梁结构、全波整流、dc-dc变换、锂电池、电源电压监测等性能对振动能量收集的影响。提出并讨论如何实现振动能量的采集和转换，如何储存采集到的微弱能量两大问题，解决人行走和能量收集器频率协调的问题，使环境中收集到的振动能量改变生活的能源利用方式，减少环境污染。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种环境振动能量收集与存储系统的装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种环境振动能量收集与存储系统的装置，包括悬臂梁能量收集器、控制转换模块和能量存储模块，所述悬臂梁能量收集器由悬臂梁、压电陶瓷片、弹簧、质量块和振动基底组成，所述悬臂梁的上表面开设有横向设置的凹槽，且凹槽内安装有若干片并联的压电陶瓷片，压电陶瓷片使用粘合剂和悬臂梁的凹槽固定粘合，所述悬臂梁一端的下表面固定安装有垂直设置的弹簧，且弹簧的另一端与质量块的连接环固定连接，所述悬臂梁的另一端与振动基底固定连接；所述控制转换模块由全波整流电路、dc-dc变换电路和ne555电路组成；所述能量存储模块由能量的储存器件和能量监测电路组成。

作为本发明进一步的方案：所述悬臂梁上的压电陶瓷片的规格矩形是50×50，压电陶瓷片的压电材料是pzt-5，其属弹性层的材料是黄铜#cw617n，振动输出电压均值为15vdc，电流为0-12ma。

作为本发明进一步的方案：所述全波整流电路由四个整流二极管、电阻和电容构成。

作为本发明进一步的方案：所述dc-dc变换电路中的dc-dc变换器将高电压信号降压后，稳压为3.7v电压。

作为本发明进一步的方案：所述能量的储存器件为电容、锂电池、智能设备或移动电源。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中悬臂梁结构的环境振动能量收集器使用压电方式收集环境中的振动能量，装置的构造简单，输出电压高，能量转换效率高，损耗低，易加工等优点。

2、本发明中自然环境中的振动能量是可再生能源，为能源利用提供新的方式和方发，具有实际价值。

3、本发明中采用压电陶瓷片的压电效应，运用悬臂梁结构的环境振动能量收集器，收集到的振动能量，具有电源的一般特性；并联的压电陶瓷片收集到的振动能量设发光二极管正常工作，整流输出的电压可达3.0v左右；能量存储于锂电池组，能量输出端口分为5v/1a和5v/2a的两个输出usb接口；在整流电路中，选用二极管的类型经过相关器件的电气参数计算，选用合适的整流二极管，使整流的效率提高。

附图说明

图1为一种环境振动能量收集与存储系统的装置的结构示意图。

图2为一种环境振动能量收集与存储系统的装置中整流电路的结构示意图。

图3为一种环境振动能量收集与存储系统的装置中dc-dc变换电路的结构示意图。

图4为一种环境振动能量收集与存储系统的装置中ne555电路的结构示意图。

图5为一种环境振动能量收集与存储系统的装置中能量监测电路的结构示意图。

图中：悬臂梁1、凹槽2、压电陶瓷片3、弹簧4、质量块5、振动基底6。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～5，本发明实施例中，一种环境振动能量收集与存储系统的装置，包括悬臂梁能量收集器、控制转换模块和能量存储模块，所述悬臂梁能量收集器由悬臂梁1、压电陶瓷片3、弹簧4、质量块5和振动基底6组成，所述悬臂梁1的上表面开设有横向设置的凹槽2，且凹槽2内安装有若干片并联的压电陶瓷片3，压电陶瓷片3使用粘合剂和悬臂梁1的凹槽2固定粘合，所述悬臂梁1一端的下表面固定安装有垂直设置的弹簧4，且弹簧4的另一端与质量块5的连接环固定连接，所述悬臂梁1的另一端与振动基底6固定连接，所述悬臂梁1上的压电陶瓷片3的规格矩形是50×50，压电陶瓷片3的压电材料是pzt-5，其属弹性层的材料是黄铜#cw617n，振动输出电压均值为15vdc，电流为0-12ma。

所述控制转换模块由全波整流电路、dc-dc变换电路和ne555电路组成；所述全波整流电路由四个整流二极管、电阻和电容构成，其原理是输入交流信号时，负载上的电压和电流在周期内方向不变，整流二极管在半个周期内导通，二极管内阻不为零，整流电路具有内阻，使得能量收集器负载增大，能量收集体系损耗增大，单相桥式整流电路，输出功率大，波动小等优点，本发明中整流电路采用桥式整流电路，整流后的波形存在小的波动，桥式整流电路整流实现交流转直流；

dc-dc变换仿真电路中开关管q和续流二极管d5构成了一个最基本的开关型直流/直流降压变换电路，开关管通过pmw波控制通、断，调节整流后的电压，将悬臂梁能量收集器收集的高电压能量转换为锂电池储能的工作电压，开关管q1是通过ne555脉冲宽度调制方式产生的pmw波控，dc-dc变换为器件正常工作的电压和电流，dc-dc变换电路的工作原理是：当驱动信号使开关q1导通时，续流二极管d5由于反偏而截止，此时负载能量由输入电源提供，电感电压的极性为左正、右负，电感电流线性增加，其储存的磁场能量也渐渐增加，电容c2开始充电，输出的电压极性为上正、下负；当驱动信号使开关q1截止时，由于电感电流不能突变，它所产生的感应电势阻止电流减小，电势极性变为左负、右正，同时使续流二极管d5导通，电感储能通过d5传递给负载，负载两端的电压仍上正、下负，当负载两端电压低于电容两端电压时，电容便向负载放电；dc-dc变换电路在pmw波的控制下重复上述过程，使电压稳定输出；

ne555电路为555定时器，而555定时器是数字-模拟混合集成电路，利用它可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器，并且使用方便灵活，ne555定时器用于波形的产生与变换、测量与控制、家用电器和电子玩具等电子产品中，555的产品有双极性和cmos两种，所有双极性ic产品型号最后3为都是555，所有cmos产品型号最后的四位数码都是7555，它功能和引脚排列完全相同；ne555是属于555系列实时ic中的一种，添加少量的电阻和电容就可以组成pmw波形的发生器，为开关管产生输入控制波形；通过调整r2和r3的大小，调整pmw波占空比，使开关管通断时间改变；dc-dc变换电路可以实现电压和电流的变换，达到降压功能，dc-dc变换电路是实现控制功能的实现部分，对它的控制是振动能量收集与存储系统储能的能量存储的基础，为储能的锂电池变换正常的工作电压。

能量存储模块由能量的储存器件和能量监测电路组成；能量的储存器件为电容、锂电池、智能设备或移动电源，由于系统内存在有源器件和有源芯片，能量储存和输出需要优先为系统有源原件提供能量，保证系统的正常工作，系统首次运行需要电源为设备的芯片提供电源，在设备运行的过程中，能量收集器为系统内部的有源器件优先提供能量，然后为储能的锂电池输出能量，系统输出由能量选择输出端口选择输出；电源输入3.7v-4.7v时，led1亮，led1的亮暗水平来模拟储能锂电池中的能量，来监测锂电池内的电量剩余；检测电路的输入电压12.0v时，led2充分点亮；输入17.0v时，led3点亮，也可以观察led1、led2、led3的亮暗关系或者亮灭关系来监测更高的电源的电压，存储系统中，选用锂电池储能，能量选择输出端口将锂电池存储的能量以5v/1a或5v/2a的参数输出，5v/1a或5v/2a的参数满足不同智能设备对能量的需求，电源监测电路主要用于监测储能器件的能量储存剩余情况，当能量过低时，指示灯发亮，系统暂停能量输出，为内部储能器件存储能量，电路中还运用电压比较电路，比较系统内部电源的电压，及时为内部有源器件供能，使电路内部的有源原件工作在最佳状态，使设备正常工作。

本发明的工作原理是：人们行走过程中佩戴本设备，而同时人们行走时重心变化产生的振动，利用压电陶瓷的压电效应，采用悬臂梁结构将振动能量转换为电能，通过全波整流和dc-dc变换后，将能量储存起来并利用，其输出参数可达5v/1a或5v/2a；悬臂梁结构通过末端弹簧质量块带动悬梁臂振动，使压电陶瓷产生形变，收集振动过程中的振动能量；悬臂梁能量收集装置得到频率较低峰值16v左右的正弦交流信号，再通过全波整流后得到直流信号，运用dc-dc变换电路实现稳压和降压，得到3.7v电压供给储能锂电池进行储能，由能量选择输出端口为智能设备或移动设备供能。

本发明中涉及的电路以及控制均为现有技术，在此不进行过多赘述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。