一种驰振式挠曲电能量收集装置

本发明涉及一种驰振式挠曲电能量收集装置，属于新型能量收集。

背景技术：

1、无线传感网络（wsns）、微机电系统（mems）等小型集成化电子装置技术随着物联网技术的飞速发展而获得广泛应用。

2、由于wsns节点常被布置在人烟稀少，环境复杂的野外区域，其内置有限寿命的电池不仅增加了系统的重量和体积，且定期更换需耗费大量劳力，易损伤结构并造成污染，这使得相应的电能源供给成为制约相关于wsns设备发展的瓶颈问题。因此，亟需发展能够为wsns低功耗设备持续供电的具有高能量密度的自供电装置。

3、驰振式挠曲电能量收集装置旨在收集并转换来自周围环境中的能量为低功耗的微机电移动设备、wsns和嵌入式系统或对复杂环境下的电池或设备进行供电，例如基站监测、桥梁监测、交通管理、环境监测等设备，以此来节省对电池的检查与更换成本

4、挠曲电材料作为一种具有力电耦合效应的介电材料，在微纳米尺度上有许多优势。构建挠曲电材料梁单元，承受弯矩而变形时，梁的整体结构内均形成应变梯度场进而使其产生电极化，电极化强度与空间尺度成反比而呈现出显著的尺寸效应；挠曲电材料梁还具有无需预极化处理等特殊要求，且其无需黏附于其它结构表面而使得其具备优异的力电转换能力。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种驰振式挠曲电能量收集装置，解决现有风致振动悬臂梁结构能量收集装置体积大，输出功率密度低的技术问题。

2、为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种驰振式挠曲电能量收集装置，包括基座，所述基座上安装有悬臂梁，所述悬臂梁上连接有钝体，所述悬臂梁通过电极片与能量收集电路组成电路回路。

3、上述方案中，所述悬臂梁为挠曲电层合材料，中间为bst层，bst层两侧表面涂有银电极层，银电极层外侧覆盖有pdms层。

4、上述方案中，所述能量收集电路包括整流电路和能量收集单元，所述电极片上的电流经整流电路后由能量收集单元进行收集。

5、上述方案中，所述银电极层在所述悬臂梁与所述基座固定端处设置有引出银电极，所述引出银电极穿过所述pdms层与电极片接通。

6、上述方案中，所述钝体材料为轻质钝体材料，质量范围为0.2—0.4g，钝体的高度为30mm，矩形截面的宽度范围为10—20mm，，矩形截面的厚度为10mm；所述悬臂梁整体长度为35mm，宽度为7.5mm，厚度为0.2mm；所述bst层厚度为100mm，所述银电极层刷涂于所述bst层两侧，每层所述pdms层的厚度均为50mm；所述能量收集单元等效负载阻抗为25kω。

7、本发明的有益效果：（1）将本发明装置放置于野外自然环境中，在自然风速下，钝体周边空气涡街的脱落迫使钝体结构将产生驰振，钝体的正弦周期振动使挠曲电悬臂梁产生正弦周期弯曲振动，基于挠曲电效应使挠曲电悬臂梁表层电极面集聚电荷，再经由外电路中输出电流或电压，完成从风能到电能的转换。（2）挠曲电材料在微纳米尺度上有许多优势。随着结构的缩小，挠曲电效应将会具有较为显著的增强。微尺度下挠曲电材料的等效压电系数及能量密度具有优异的表现。（3）将挠曲电材料悬臂梁和驰振式能量收集结构有机结合，可有效的利用挠曲电悬臂梁的力电耦合性能，发挥微纳米尺度挠曲电材料的力电转换优势。（4）驰振式能量收集结构具有起振风速低、适应风速范围广、振动幅值大的特点，有利于风致振动能的有效开发和利用。

技术特征：

1.一种驰振式挠曲电能量收集装置，其特征在于，包括基座（4），所述基座（4）上安装有悬臂梁(2)，所述悬臂梁(2)上连接有钝体(1)，所述悬臂梁(2)通过电极片(3)与能量收集电路(5)组成电路回路。

2.根据权利要求1所述的一种驰振式挠曲电能量收集装置，其特征在于，所述悬臂梁(2)为挠曲电层合材料，中间为bst层（201），bst层（201）两侧表面涂有银电极层（202），银电极层（202）外侧覆盖有pdms层（203）。

3.根据权利要求1所述的一种驰振式挠曲电能量收集装置，其特征在于，所述能量收集电路(5)包括整流电路(51)和能量收集单元(52)，所述电极片(3)上的电流经整流电路(51)后由能量收集单元(52)进行收集。

4.根据权利要求2所述的一种驰振式挠曲电能量收集装置，其特征在于，所述银电极层（202）在所述悬臂梁与所述基座（4）固定端处设置有引出银电极(204)，所述引出银电极(204)穿过所述pdms层（203）与电极片（3）接通。

5.根据权利要求3所述的一种驰振式挠曲电能量收集装置，其特征在于，所述钝体(1)材料为轻质钝体材料，质量范围为0.2—0.4g，钝体的高度为30mm，矩形截面的宽度范围为10—20mm，，矩形截面的厚度为10mm；所述悬臂梁（2）整体长度为35mm，宽度为7.5mm，厚度为0.2mm；所述bst层（201）厚度为100mm，所述银电极层（202）刷涂于所述bst层（201）两侧，每层所述pdms层（203）的厚度均为50mm；所述能量收集单元(52)等效负载阻抗为25kω。

技术总结
本发明涉及一种驰振式挠曲电能量收集装置，包括钝体、悬臂梁、电极片、基座和能量收集电路，所述悬臂梁的一端连接在所述基座上，所述悬臂梁的另一端连接所述钝体，悬臂梁的材料为层合结构的挠曲电复合材料。本发明通过风致振动作用使结构产生驰振，结构实现低频的振动从而通过挠曲电材料悬臂梁的力电转换性能产生电能输出，由所述能量收集电路将电能整流并储存，本发明装置放置于野外自然环境中，在自然风速下，钝体周边空气涡街的脱落迫使钝体结构将产生驰振，钝体的正弦周期振动使挠曲电悬臂梁产生正弦周期弯曲振动，基于挠曲电效应使挠曲电悬臂梁表层电极面集聚电荷，再经由外电路中输出电流或电压，完成从风能到电能的转换。

技术研发人员：骆英,惠正茂,刘红光
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16