[发明专利]一种升频式带空腔悬臂板结构的压电俘能器

说明书

本发明提供了一种升频式带空腔悬臂板结构的压电俘能器。通常俘能器只能工作在频率大的环境下，当外界频率较小时输出极低，无法满足低频振动场所俘能的需要。本发明的结构包括弹簧，第一质量块，第二质量块，带空腔的悬臂基板，压电片，支座。本俘能器可以在保证提升输出电压、电功率的同时升高外界的振动频率，并降低自身的固有频率。在周围环境低频振动时，弹簧质量系统凭借较低的固有频率发生共振，第一质量块冲击第二质量块，达到升频的目的；第二质量块粘接在悬臂基板自由端，可降低结构固有频率；空腔的设置则进一步明显降低系统的固有频率，从而使得本发明能够在低频环境下高效工作。

技术领域

本发明涉及发电技术和可再生清洁能源领域，具体涉及一种升频式带空腔悬臂板结构的压电俘能器及其俘能方法。

背景技术

能源问题是当今最为关注的问题之一，各国科研工作人员都在致力于寻找和开发新能源已解决能源短缺问题。目前，对于大多数微电子设备，电池供能凭借优良的蓄电容量以及电源稳定、廉价易得等优点而被广泛使用，但是由于普通电池寿命低、更换麻烦以及废旧电池污染水土、危害人体等缺点，因此需要研究一种能长期使用、环保的新能源来进行供能。

利用压电材料的压电效应将周围环境的振动能量转化为电能，不仅寿命长、环保，而且具有转化效率高、可持续供能等优点。因此，这项技术成为目前研究的热点。

目前常规的压电俘能器固有频率较高，而周围环境振动频率较低，因此无法使俘能器达到共振，输出功率大为降低。

中国专利申请(公开号CN107742994)公开了一种碰撞升频式双稳态压电俘能器及其俘能方法，通过摆坨上的磁铁与圆形外壳上磁铁的排斥力作用，人体摆动时通过转轴带动压电梁与拨片发生碰撞，使压电梁高频振动产生电能，提高输出功率。

发明内容

本发明的目的是针对低频振动的环境下压电俘能器俘能效率低的问题，提出一种利用共振冲击提升外界频率，并通过空腔的设置降低自身固有频率且提高输出电压、电功率的高效的俘能器及其俘能方法。

本发明所采取的技术方案是：发明一种升频式带空腔悬臂板结构的压电俘能器，包括支座(6)、悬臂基板(4)、压电片(5)、第二质量块(3)、第一质量块(2)及弹簧(1)；弹簧(1)与第一质量块固定连接；第一质量块是一个圆柱体，与第二质量块上下正对同心布置并留有间隙0.5mm；第二质量块则是一个棱长与悬臂基板等宽的正方体，且与悬臂基板自由端端面和侧面平齐；而悬臂基板的固定端下方与支座固定连接，支座与基板等宽，侧面与固定端端面对齐；基板固定端上方则粘贴一片压电片。压电片长度方向与基板长度方向一致且等宽，并与基板固定端端面和侧面齐平；悬臂基板在靠近固定端的位置处开有一贯穿的空腔，空腔沿基板横截面呈矩形且长度方向与基板一致，空腔厚度不得超过基板尺寸的80％，且空腔上下两侧厚度不得小于基板厚的10％。

弹簧(1)与第一质量块(2)构成第一级振动系统，即为升频系统，其固有频率低于悬臂基板固有频率，使之能够在较低外界振动频率下产生共振。

对于降低第二级振动系统的固有频率问题上，本发明所采用的实验方案是悬臂基板自由端增设质量块以及固定端空腔的设置，悬臂基板材料与质量块一致，为普通铝板，空腔内则为空气；而空腔的设置还有另外一个优势，它能够有效地提高系统的输出电压和电功率。

本发明从可优化的三个方面考察系统固有频率以及发电量与空腔长度、空腔厚度、空腔位置的关系。