[发明专利]基于压电材料的多方向振动能量收集装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种能将外界振动能量转化为电能的装置，尤其是在不同的振动 环境下，该装置可以将多方向的振动能量有效地进行收集。该专利属于振动能量 收集技术领域。

背景技术

目前，已有的关于振动能量回收的装置收集的能量主要是单方向的，如悬臂 梁结构、bimorph结构、圆膜结构等，其方向选择性很强，在存在各种方向随机 振动的情况下，这种方法收集的能量将非常有限。方向的选择性带来的另一问题 是，在安装能量收集器时，必须注意环境振动的方向，这有时候需要专业人员才 能完成。即使在安装的时候考虑到主要的环境振动方向，一旦环境发生变化，该 系统的性能也将大幅下降。

发明内容

本发明目的在于弥补现有技术中振动能量回收装置只能敏感某个固定方向 振动，振动能量收集效率不高等缺陷，提供一种无论振动的方向如何改变，或者 在存在多方向振动的情况下都能够高效率收集到振动能量的基于压电材料的多 方向振动能量收集装置。

基于压电材料的多方向振动能量收集装置包括包括机电转换装置，其中机电 转换装置由立体支架、位于立体支架中心的质量球，n根分别将质量球与立体支 架连接起来的能量转换条构成；上述的每根能量转换条均由预弯弹性材料芯层及 压电材料层组成；上述压电材料层上布置有能量收集电极；还包括与上述能量 收集电极连接的多源异相充电控制电路，它包括n路并联后与充电电池相连的能 量收集电路，及与能量收集电路连接的开关控制电路；其中每路能量收集电路依 次由压电材料等效电路、同步开关电感电路、全波整流电路、同步电荷提取电路、 防回流二极管组成；其中所述开关控制电路包括两路电压比较电路，其两路电压 比较电路各自输出端通过上拉电阻接入异或门，异或门输出端分成两路，一路与 能量收集电路中同步开关电感电路及同步电荷提取电路中的开关相连，另一路通 过下拉电阻接地。

上述基于压电材料的多方向振动能量收集装置，可以为：所述的n根能量转 换条分别将质量球与立体支架的n个顶角连接起来的，组成对称结构。

上述基于压电材料的多方向振动能量收集装置，还可以具有自适应改变换能 结构上的电压，以改变其刚度，进而改变整个立方体-球结构的共振频率的自适应 调谐控制电路；所述的预弯弹性材料芯层布置有调谐控制电极。

上述能量转换条上的压电材料层可以为双层结构，即芯层两侧均覆有压电材 料层。所述的压电材料可以选择质地柔软、变形大、可以产生较大电荷输出的 PVDF材料，即聚偏二氟乙烯。

本发明提出一种可以进行多方向振动能量的结构，该结构配合多个压电换能 元件及其充电控制电路，使不同方向的振动能量都能够得到收集，并储存于储能 源元件中。同时在充电电路方面采用一种多源异相充电控制电路。由于二极管的 单向导电特性，设计一种灌入式充电电路，所有单个能量转换条经转换后都可以 通过二极管接到储能元件上。在单路充电电路的设计上将已有的同步开关电感法 和同步电荷提取法结合起来，实现能量转换的最优。由于能同时回收到多个压电 转换条上的能量，因而可以大幅提高能量的转化效率。可以供给各种自治型系统 的电能。采用对称结构则结构及电路相对简单。能量转换条采用两侧都覆盖有压 电材料的双层结构，可以使其在相同条件下比常规压电材料具有更大的电压输 出。

本发明的有益效果是在使用过程中适应性强，在不知道环境振动方向和特性 的情况下，也可以安装使用，环境振动方向变化对其影响很小，同时能够对多个 方向的振动能量进行收集，并且由于采用了多通道能量回收电路，使得回收的效 率大大提高。

附图说明

图1是本发明提出的立方体-球能量回收结构示意图。

图2是本发明提出的预弯曲Rainbow形PVDF双层能量转换条。

图3是PVDF材料上电极的分布情况。

图4是本发明所设计的多源异相充电控制电路。

图中标号名称：1、立方体支架，2、质量球，3、能量转换条，4、弹性基 底，5、PVDF薄膜，6、调谐控制电极，7、能量收集电极，8、压电材料等效电 路，9、同步开关电感电路，10、全波整流电路，11、同步电荷提取电路，12、防回 流二极管。

具体实施方式