一种采集液体能量的装置及采集液体能量的方法与流程

本发明涉及能量采集技术领域，尤其涉及一种采集液体能量的装置，本发明还涉及采集液体能量的方法。

背景技术：

无线传感器网络、各种低功耗电子产品目前已经在多个技术领域得到广泛应用，但是，与之对应的给这些无线传感器、低功耗电子产品提供电源的技术的发展却相对滞后，从而导致某些低功耗产品在实际应用中受到限制。对于目前发展迅速的无线传感器网络、低功耗电子产品，为了满足各个传感节点持久、可靠的自供电需求，能量采集技术已经成为前沿技术之一。能量采集技术可以通过换能材料采集大自然环境中的太阳能、热能、振动能、风能、雨水能、潮汐能等，并转化为电能，从而无需外接电源就可以为低功耗电子产品提供电能。

但是，在现有的液体采集如雨水能、潮汐能等能量的装置中，普遍存在能量小和转化效率低的技术问题，如现有的采集雨水能量的装置，通过雨滴降落撞击压电叶片，引起其弯曲振动，产生电能，然后通过导线传到控制储能部件，将电能储存在控制储能部件中。雨滴撞击压电叶片的能量非常小，因此，也会影响到能量的转化效率。并且，下雨的大小，也会影响到能量采集的稳定性。

技术实现要素：

本发明为了解决现有采集流体的装置所存在的采集的能量小、能量转换效率低的技术问题，提出了一种采集流体能量的装置，另外，本发明还提出了采集液体能量的方法。

一种采集液体能量的装置，包括：至少一个安装座；至少一套振动组件，所述振动组件的一端安装在所述安装座上，所述振动组件的另一端可产生弯曲振动；储液组件，所述储液组件安装在所述振动组件的另一端上，并以其重力使所述振动组件发生形变，所述储液组件在所储存的液体达到预设重量时排出液体，以使所述振动组件产生弯曲振动；至少一块第一压电元件，所述第一压电元件安装在所述振动组件上，根据所述振动组件的弯曲振动产生形变；能量转换组件，所述能量转换组件包括能量采集电路，所述能量采集电路与所述第一压电元件连接。

优选地，所述安装座包括一个，所述振动组件包括一套，所述储液组件包括一套，所述第一压电元件包括一块；所述振动组件包括一块长条状的振动件，所述振动件包括分别位于其长度方向的两端的第一端部和第二端部，所述第一端部安装在所述安装座上，所述第二端部为自由端，所述第一压电元件安装在所述振动件上，所述储液组件枢接在所述第二端部上。

优选地，所述安装座包括两个，所述振动组件包括两套，所述储液组件包括一套，所述安装座和所述振动组件分别位于所述储液组件的相对的两侧；每个所述振动组件分别包括一块长条状的振动件，所述振动件包括分别位于其长度方向的两端的第一端部和第二端部，所述第一端部分别安装在所述安装座上，所述第二端部分别与所述储液组件枢接。

优选地，所述第一压电元件包括两块，所述第一压电元件分别安装在两套所述振动组件的所述振动件上。

优选地，所述振动组件还包括第一质量块，所述第一质量块设置在所述振动件的第二端部上。

优选地，所述储液组件包括储液容器，所述储液容器与所述第二端部枢接；所述储液容器与所述第二端部枢接的枢接轴的轴心，与所述储液容器的轴心相交；所述储液容器在空载时，其开口朝上，并且所述储液容器的轴心相对于竖直方向倾斜。

优选地，所述储液容器的底部设置有第二质量块，所述第二质量块在所述储液容器的底部的位置可改变。

优选地，还包括第二压电元件，所述第二压电元件设置在所述储液组件的下方，位于可被所述储液组件所排出的液体撞击到的位置。

一种采集液体能量的方法，使用了上述的采集液体能量的装置，包括如下过程：使用所述储液组件，储存液体；通过所述储液组件施力于所述振动组件，以使所述振动组件发生形变；在所述储液组件所储存的液体达到预设重量时排出液体，以使所述振动组件产生弯曲振动；所述第一压电元件将由所述振动组件的弯曲振动产生的机械能转化为电能；所述能量采集电路采集所述第一压电元件所转化的电能。

一种采集液体能量的方法，使用了包括第二压电元件的上述的采集液体能量的装置，包括如下过程：使用所述储液组件，储存液体；通过所述储液组件施力于所述振动组件，以使所述振动组件发生形变；在所述储液组件所储存的液体达到预设重量时排出液体，以使所述振动组件产生弯曲振动，并且，排出的液体撞击所述第二压电元件；所述第一压电元件将由所述振动组件的弯曲振动产生的机械能转化为电能，所述第二压电元件将被液体撞击产生的机械能转化为电能；所述能量采集电路采集所述第一压电元件和所述第二压电元件所转化的电能。

本发明，由于设置振动组件、储液组件，并且由于储液组件安装到振动组件上，当储液组件储存的液体逐渐增多时，会使振动组件发生形变，并且在储液组件储存的液体排出后，振动组件做弯曲振动，并通过压电元件将机械能转化为电能，通过这种方式采集液体能量，其采集的能量较大，并且能量转换效率高。

附图说明

图1是本发明的采集液体能量的装置的实施例一的俯视方向的立体图；

图2是图1的装置的仰视方向的立体图；

图3(a)是图1的装置在空载状态下(第一阶段)的示意图；

图3(b)是图1的装置在开始采集液体的状态下(第二阶段)的示意图；

图3(c)是图1的装置在继续采集液体的状态下(第三阶段)的示意图；

图4(a)、图4(b)是图1的装置在排出液体后的状态(第四阶段)的示意图；

图5是本发明的采集液体能量的装置的实施例二的俯视方向的立体图；

图6是本发明的采集液体能量的装置的实施例二的仰视方向的立体图；

图7是本发明的采集液体能量的装置的其他实施例的俯视方向的立体图。

具体实施方式

以下参照附图，对本发明作详细说明。需要指出的是，本发明可以以许多不同的方式实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例目的是为了使本领域的技术人员对本发明所公开的内容理解更加透彻全面。

另外，根据本发明的原理对说明性的实施例所进行的描述旨在要结合附图来进行阅读，其将被视作整个书面说明书的一部分。在公开的本发明的实施例的描述中，任何方向或方位的引用仅仅旨在便于说明，而并非旨在以任何方式限制本发明的范围。相关术语如“正面”、“背面”、“上侧部”、“下侧部”、“后侧部”、“外侧”、“内侧”、“中部”、“内部”、“外部”、“下部的”、“上部的”、“水平的”、“垂直的”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”)及其派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应当被解释为下文所述的或在讨论中的附图所示的方位。这些相关术语仅为方便说明之用，而不能要求设备按照特定方位进行构造或操作,除非有明确说明。因此，本发明不应被确切地限制于对可单独存在或在其它特征组合中存在的特征的一些可能的非限制性组合进行说明的示例性实施例；本发明的保护范围由所附权利要求界定。

正如当前设想，本次公开描述了本发明的最优模式或实践模式。本发明并非旨在从限制层面上进行理解，而是通过结合附图提供仅供说明使用的发明示例，以告知本领域的普通技术人员本发明的优点和构造。在附图的各种视图中，相同的附图标记指代相同或相似的部件。

实施例一

参照图1、图2，一种采集液体能量的装置，包括：一个安装座1，安装座1用于将整个装置安装到无线传感器网络(未图示)、各种低功耗电子产品(未图示)的旁边，以便于给这些传感器等提供电源。能量转换组件(未图示)可以安装在安装座1上，能量转换组件包括公知的组件，如包括能量采集电路、信号调理电路等，其中，能量采集电路与下述的第一压电元件4连接，第一压电元件4可以是d31模式的压电元件，通过压电效应，可以将机械能转化为交流电能输出，经过能量采集电路和信号调理电路后，可以将第一压电元件4采集到的交流电能转化为直流电，以便于储存或者给外部负载供电。

本实施例的装置还包括一套振动组件2，振动组件2的一端安装在安装座1上，另一端为可做弯曲振动的自由端。需要说明的是，做弯曲振动的自由端，在垂直方向做上下摆动，从而使d31模式的第一压电元件在水平方向做伸缩形变，在垂直方向产生电场。另外，在本实施例中，上下方向只是为了便于说明，比如，振动组件2采集的是雨水能的时候，由于雨水是竖直方向下落的，因此，在这种实施例中，上下方向指的是竖直方向。但是，在有些实施例中，如振动组件2采集的是潮汐能，或者其他别的非竖直方向下落的液体能量时，上下方向则分别指的液体撞击振动组件2的方向和反方向，最终目的依然是使第一压电元件产生伸缩形变。

振动组件2包括一块长条状的振动件21，振动件21包括分别位于长度方向的两端的第一端部211和第二端部212。第一端部211安装在安装座1上，第二端部212为可做弯曲振动的自由端。因此，振动组件2的弯曲振动，实际上通过振动件的弯曲振动而实现。在本实施例中，由于液体的能量是先采集到一定的重量之后，然后再排掉，这有利于振动件21的形变，因此，振动件21优选刚性材料，如条状的不锈钢钣金、冷板钣金，以延长本装置的使用寿命。

当然，这并非限定振动件21的尺寸、材料，振动件21根据不同的使用场合，可以使用不同的尺寸、不同材料如使用弹性材料的振动件21，如橡胶材料的圆棒等。

在本实施例中，振动件21的第一端部211可以设置有l字型的弯折部214，振动件21通过第一端部211安装到安装座1时，弯折部214与安装座1贴合，振动件21的主体215和第二端部212大致垂直于安装座1。设置弯折部214，主要是为了增大振动件21与安装座1的贴合面积，也提高振动件21的安装强度。振动件21可以通过焊接或者螺丝锁紧的方式安装到安装座1上。

振动组件2上安装有第一压电元件4，具体地，第一压电元件4安装在振动组件2的振动件21上，根据振动组件2的振动，在本实施例中，根据振动件21的振动而产生形变。

第一压电元件4可以安装在振动件21的各种位置上，如振动件21的上表面21a，振动件21的下表面21b，或者，同时安装在振动件21的上表面21a和下表面21b。在本实施例中，该装置用来收集雨水能，因此，第一压电元件4优选地，安装在振动件21的下表面21b上，以实现通过振动件21遮挡一部分的雨水。当然，为了保证第一压电元件4的密封性，第一压电元件4同时还可以通过罩子5罩住，具体地，罩子5可以安装在振动件21上，罩子5和振动件21的贴合处，还可以使用密封胶、密封圈等密封。第一压电元件4安装在振动件21变形较大的地方，在本实施例中，具体地，第一压电元件4从位于第一端部211的一侧开始，朝向第二端部212延伸，部分涵盖或者全部涵盖振动件21。

同样地，由于本实施例的液体的能量是先采集到一定的重量之后，然后再排掉，这有利于使作为刚性材料的振动件21发生形变，因此，第一压电元件4也优选具有一定刚性的第一压电元件4，如陶瓷材料的第一压电元件。

为了对振动组件2进行调频，优选地，振动组件2还包括第一质量块22，第一质量块22设置在振动件21上，可以设置在振动件21的上表面21a，下表面21b，或者同时设置在振动件21的上表面21a和下表面21b。在本实施例中，第一质量块22设置在振动件21位于第二端部212的一边，即设置在振动件21的自由端上。第一质量块22同样可以使用不锈钢材质，如使不锈钢钣金，通过胶水粘接到振动件21上。优选地，为了防止第一质量块22脱落，也可以在振动件21位于第二端部212的一侧开设腰型孔216，腰型孔216沿振动件21的长度方向延伸，通过螺丝和螺母将第一质量块22锁紧在振动件21上。由此，也可以实现第一质量块22在振动件21的位置的调整，从而实现振动组件2的调频。

另外，第一质量块22还可以使用挠性材料，通过使其朝向不同的方向变形，而对振动件21进行调频。

振动组件2的自由端上，即振动件21的第二端部212上，枢接有储液组件3，在储液组件3空载(即没有储存液体或者有少量液体)时，储液组件3与振动件21处于水平平衡的状态，或者，振动件21在储液组件3的自身重力的作用下，处于朝下稍微弯曲的状态，当储液组件3所储存的液体，如储液容器31储存的雨水逐渐增多时，振动组件2在储液组件3的重力的作用下发生形变，一方面，振动件21的变形逐渐增大，另一方面，储液组件3的重心与其枢接的旋转点的相对位置也在改变，以致储液容器31的开口的位置逐渐变化，当储液组件3在其所储存的液体达到预设重量时(即该重量使得储液容器31的开口开始朝下时)排出液体，此时，突然释放重力的储液组件3，使振动组件2产生弯曲振动，并且，由于惯性不断地做弯曲振动，直至储液组件3恢复到空载或者恢复到开口朝上的状态。

需要说明的是，在这里的预设重量会根据储液容器31的形状、储液容器31的旋转位置发生变化。具体地，预设的重量通常是指储液容器31装满水，或者几乎装满水的储液组件3的总重量。

在此过程中，由于压电效应，第一压电元件4可以将振动组件2振动的机械能转化为交流电能输出。

以下对储液组件3进行详细说明。

储液组件3包括储液容器31，储液容器31可以是规则形状的容器，如圆柱形杯子的形状，或者方形杯子的形状的容器，或者不规则形状的容器的形状。为了便于储液容器31的安装、调试，优选规则形状的容器。

储液容器31与第二端部212枢接，储液容器31在空载时，其开口朝上，并且储液容器31的轴心相对于竖直方向倾斜。需要说明的是，储液容器31的轴心，既可以相对于竖直方向，朝向振动件21的一侧倾斜，也可以朝向与振动件21相对的一侧(外侧)倾斜，在这里，优选朝向与振动件21相对的一侧倾斜。如上所述，储液容器31空载指的是，储液容器31里面没有液体，或者有少量未排除干净的液体。

在本实施例中，振动件21上设置有枢接孔213，具体地，振动件21可以在第二端部212处，开设具有开口的u型槽部217，槽部217的开口设置在第二端部212的端面处，并且，沿振动件21的长度方向延伸，使得储液容器31可以设置到槽部217内，振动件21在第二端部212的宽度方向的两侧，分别设置有第一折弯边218a和第二折弯边218b，枢接孔213分别开设在第一折弯边218a和第二折弯边218b上，储液容器31的外壁的两侧，分别设置有与枢接孔213枢接的枢接轴311，两侧的枢接轴311同轴，并且其轴心与储液容器31的轴心相交。将两侧的枢接轴311(即储液容器31的旋转轴心)与储液容器31的轴心设置为相交，是为了便于储液容器31的旋转。当然，在这里，虽然将枢接轴311设置在了储液容器31上，将枢接孔213设置在了振动件21上，但是，并非因此作出限定，实际上，同样可以将枢接孔213设置在储液容器31上，将枢接轴311设置在振动件21上。

另外，将储液容器31的枢接轴311，设置在相对于储液容器31的重心，偏上的位置。因此，在储液容器31空载时，由于储液容器31的重心在枢接轴311的下方，确保了储液容器31的开口朝上。随着储液容器31的液体的增多，储液容器31的中心逐渐上升，并高于储液容器31的旋转位置。与此同时，振动组件2的振动件21在储液组件3的重力的作用下，不断朝下弯曲，此时振动件21施加于储液组件3的反作用力也在增大。此时，储液容器31处于并不稳定的状态，并且随着储液容器31的进一步增多，直至储液容器31倾倒，将液体排出，与此同时，振动件21由于储液组件3的质量突然下降，其对储液组件3的反作用力使储液组件3绕着枢接轴311旋转，从而促使储液容器31快速排出液体。此时，振动件21由于惯性做弯曲振动。

由于储液容器31的重心，随着容器的形状的变化而变化，难以通过计算获得。为了方便调整储液容器31的重心，储液容器31上设置有第二质量块32。第二质量块32可以设置在储液容器31的任何位置，优选地，第二质量块32可以设置在枢接轴311的下部的任何位置，如容器的侧壁上，进一步优选地，第二质量块32可以设置在储液容器31的底部。

另外，为了便于调节储液容器31的重心，第二质量块32在储液容器31的底部的位置可改变。具体地，如储液容器31的底部可以镶嵌有一层可以被磁铁吸附的薄片，如铁片等。第二质量块32为磁铁，直接将第二质量块32吸附在储液容器31的底部，当需要改变第二质量块32的位置时，可以重新确定磁铁的位置。当然，第二质量块32也可以是如聚氨酯、尼龙、pom等其他材料，通过胶粘的方式，贴附在储液容器31的底部。

另外，第二质量块32还可以是挠性材料，第二质量块32一端固定在储液容器31上，一端根据需要，调整第二质量块的折弯方向，从而改变储液容器31的重心。

图3(a)是图1的装置在空载状态下(第一阶段)的示意图；图3(b)是图1的装置在开始采集液体的状态下(第二阶段)的示意图；图3(c)是图1的装置在继续采集液体的状态下(第三阶段)的示意图；图4(a)、图4(b)是图1的装置在排出液体后的状态(第四阶段)的示意图。

以下参照图3(a)-图3(c)、图4(a)和图4(b)，对本装置的工作过程进行详细描述。

储液容器31从空载状态，到液体排出的过程，包括四个阶段。

参照图3(a)，第一阶段：当没有液体流入储液容器31时，调节调第二质量块32，使储液组件3的重心g不在轴心j上，而是处于稍稍偏向于储液容器31的几何中心的一侧，且较低于枢接轴311的轴心o的位置，从而使静止时储液容器31向一边倾斜，倾斜角为α，此时储液组件3的重心g和枢接轴311的轴心o在竖直轴y上。

参照图3(b)，第二阶段：当向储液容器31中注入液体时，注入的液体对枢接轴311做功，从而使倾斜角α逐渐减小，当流体注入一定量，直至注入的液体和储液组件3对枢接轴311的合力矩所做的功趋近于0时，倾斜角α趋近但不等于0，对称轴j与竖直轴y(水平轴为x)近似重合，注入的液体和储液组件3整体的总重心仍在枢接轴311以下，并趋近于竖直轴y，容器近似直立。

参照图3(c)，第三阶段：振动件21的第二端部212此时也被压下一段位移。当继续向储液容器31中注液直至注满时，第二端部212此时也被进一步压下一段位移，储液组件3的重心高于枢接轴311，储液容器31极不稳定。当液体和储液组件3对枢接轴311的合力矩做功使储液容器31倾斜时，储液容器31翻倒，液体被排出。

参照图4(a)、图4(b),第四阶段：此时振动件21将做有阻尼的弯曲振动。

等过一段短暂时间之后，振动件21由于阻尼将逐渐停止振动，储液容器31将恢复到原先倾斜的状态(即第一阶段)。振动件21由于惯性产生弯曲振动，相当于对振动件21进行了阶跃激励，从而驱动第一压电元件4在水平方向产生伸缩形变，在第一压电元件垂直方向由于压电效应可以将机械能转化为交流电能输出，外接能量采集电路和信号调理电路后，可以将交流电能转化为直流电能，以便于储存或给外部负载供电，因而这种方法可以用作液体能量回收。

实施例二

图5是本发明的采集液体能量的装置的实施例二的俯视方向的立体图；图6是本发明的采集液体能量的装置的实施例二的仰视方向的立体图。参照图5、图6，实施例二与实施例一相比，不同之处在于，安装座1a包括两个，振动组件2a包括两套，储液组件3a包括一套，安装座1a和振动组件2a分别位于储液组件3a的相对的两侧。

此外，振动组件2a和实施例一的振动组件2大致相同，即：振动组件2a分别包括一块长条状的振动件21a，振动件21a包括位于其长度方向的两端的第一端部211a和第二端部212a，第一端部211a安装在安装座1a上，第二端部212a与储液组件3a枢接。因此，在本实施例中，包括两块振动件21a，并且，该两块振动件21a分别与一套储液组件3a枢接。另外，第一压电元件4a也包括两块，分别安装在两套振动组件2a的振动件21a上。

在本实施例中，储液组件3a可以和实施例一的储液组件3的设计一样，但是，对于振动件21a来说，由于振动件21a在进行弯曲振动的时候，其与储液容器31的枢接轴311a枢接的枢接孔213a在上下方向的轨迹，实际上是以振动件21a的第一端部211a为圆心的、以枢接孔213a与第一端部211a的距离为半径的弧状的轨迹。因此，在储液容器31a空载、两个振动组件2a尚未发生形变的时候，两块振动件21a的枢接孔213a大致同轴，但是，当振动组件2a进行弯曲振动的时候，两块振动件21a的枢接孔213a之间的距离，会随着振动件21a的弯曲振动的摆幅的变化而变化。因此，针对于此，本实施例中的振动件21a的枢接孔213a，设置为腰型孔，储液容器31a的枢接轴311a可以在作为腰型孔的枢接孔213a内滑动。当两块振动件21a分别在上下方向弯曲振动的时候，储液容器31a一边以枢接轴311a为中心摆动，一边在振动件21a的枢接孔213a内滑动，从而确保了各振动件21a的独立弯曲振动，并且不会影响储液容器31a的摆动。

在实施例二中，两个振动组件2a可以共同支撑储液组件3a，因此，装置更加平衡。同时，由于振动组件2a的增加和第一压电元件21a的增加，可以适当地增加储液容器31a的容量，因此，能够提高机械能转化为电能的效率，采集更多的液体能量。

其他的实施例

图7为在实施例二的基础上增加第二压电元件的示意图。参照图7，不管是实施例一或者实施例二，均还可以包括第二压电元件61，第二压电元件61设置储液组件3a的下方，位于可被储液组件3a所排出的液体撞击到的位置。在该实施例中，第二压电元件6a可以通过安装板62安装到安装座1a上。在该实施例中，由于液体倾倒下落时，会产生动能和势能，因此，可以将第二压电元件61设置在液体下落的位置上，被液体撞击，从而通过压电效应，产生电能。并且，由于储液容器31a是在达到预设的重量后再倾倒的，因此，倾倒的液体的重量较重，可以产生很大的动能和势能，因此，可以通过第二压电元件61再一次采集液体的能量。在本实施例中，可以使用d31模式或者d33模式的压电元件。另外，安装板62可以使用振动件21代替，此时，第二压电元件61可以选择和第一压电元件4相同的压电元件，优选地，设置在安装板62的根部，即安装板62振动幅度最明显的地方。

基于实施例一和实施例二，本装置的采集能量装置包括如下采集能量的过程：使用储液组件3(3a)储存液体；通过储液组件3(3a)施力于振动组件2(2a)，以使振动组件2(2a)发生形变；在储液组件3(3a)储存的液体达到预设重量时排出液体，以使振动组件2(2a)产生弯曲振动；第一压电元件4(4a)将由振动组件2(2a)的弯曲振动产生的机械能转化为电能；能量采集电路采集第一压电元件4(4a)所转化的电能。

而当还包括有第二压电元件61时，本装置的采集能量装置包括如下采集能量的过程：使用储液组件3a储存液体；通过储液组件3a施力于振动组件2a，以使振动组件2a发生形变；在储液组件3a储存的液体达到预设重量时排出液体，以使振动组件2a产生弯曲振动，并且排出的液体撞击第二压电元件61；第一压电元件4a将由振动组件2a的弯曲振动产生的机械能转化为电能，第二压电元件61将被液体撞击产生的机械能转化为电能；能量采集电路采集第一压电元件4a和第二压电元件61所转化的电能。

在上述具体实施方式中所描述的各个具体的技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何方式进行组合，为了不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不另行说明。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明范围的任何修改或者等同替换，均应当涵括在本发明的技术方案内。