專利名稱：一種壓電型能量收集單元及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可以將人體踩踏、車輛行駛、飛機(jī)起飛降落等機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，具體說(shuō)，是涉及一種采用壓電材料，利用壓電材料的壓電效應(yīng)制作的可以將機(jī)械能收集，轉(zhuǎn)化成電能的壓電型能量收集單元及其應(yīng)用，屬于能源器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
收集機(jī)械振動(dòng)的壓電型能量收集器已被初步研究，目前主要有三種形式的振動(dòng)型能量收集器件靜電式、電磁式和壓電式。靜電式應(yīng)用平板電容器原理，需要外接電源；電磁式采用電磁互感效應(yīng)，通過(guò)線圈和磁鐵的相互運(yùn)動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，這種方式機(jī)電轉(zhuǎn)化效率較低，并且容易受到電磁干擾；壓電式利用了壓電材料的壓電效應(yīng)，通過(guò)壓電材料受力變形產(chǎn)生電荷的方式將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，體積小，能量密度高。壓電材料是一種在外力作用下可以產(chǎn)生電荷的功能材料，它有壓電單晶、壓電陶瓷、有機(jī)壓電材料、復(fù)合壓電材料等多種類型。壓電材料必須極化后才能使用，極化后的壓電材料表現(xiàn)出極性，當(dāng)受外力作用時(shí)，壓電材料表面就會(huì)有電荷產(chǎn)生，這就是壓電效應(yīng)；相反地，如果壓電材料上下表面施加電場(chǎng)，它就會(huì)產(chǎn)生形變，這是逆壓電效應(yīng)。根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn) 176(1978)，壓電材料的本構(gòu)方程為
權(quán)利要求
1.一種壓電型能量收集單元，其特征在于包括壓電振子和簡(jiǎn)支梁支撐結(jié)構(gòu)，壓電振子安裝在簡(jiǎn)支梁支撐結(jié)構(gòu)中；所述簡(jiǎn)支梁支撐結(jié)構(gòu)包括底板、墊板、限位板和頂板，頂板上方設(shè)有蓋板，蓋板下端固定連接有沖擊塊；在所述墊板、限位板和頂板的中心對(duì)稱位置均設(shè)有安裝壓電振子所需的凹槽；墊板、限位板、頂板的兩側(cè)設(shè)有定位孔和彈簧孔；底板兩側(cè)設(shè)有定位孔和盲孔；蓋板兩側(cè)設(shè)有盲孔，中部設(shè)有螺孔；盲孔和彈簧孔之間的空腔內(nèi)設(shè)有彈ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電型能量收集單元，其特征在于所述壓電振子為單晶片結(jié)構(gòu)、雙晶片結(jié)構(gòu)、疊層結(jié)構(gòu)、鐃鈸結(jié)構(gòu)、THUNDER結(jié)構(gòu)或RAINBOW結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電型能量收集單元，其特征在于所述壓電振子為單晶片結(jié)構(gòu)，由基底材料和壓電材料組成，在基底材料的正面粘結(jié)有壓電材料，且在基底材料和壓電材料上分別焊接有一根導(dǎo)線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓電型能量收集單元，其特征在于所述單晶片的形狀為矩形、圓形或彎曲形。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電型能量收集單元，其特征在于所述壓電振子為雙晶片結(jié)構(gòu)，由基底材料和壓電材料組成，在基底材料的正反面分別粘結(jié)有壓電材料，且上、下兩壓電材料之間以導(dǎo)線形成并聯(lián)，一根導(dǎo)線焊接在基底材料上，另一根導(dǎo)線焊接在壓電材料的電極層上。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電型能量收集單元，其特征在于所述壓電振子為雙晶片結(jié)構(gòu)，由基底材料和壓電材料組成，在基底材料的正反面分別粘結(jié)有壓電材料，且在上、下兩壓電材料的電極層上均焊接有一根導(dǎo)線以形成串聯(lián)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3、5或6所述的壓電型能量收集單元，其特征在于所述基底材料采用鈹銅、錳鋼、不銹鋼或聚乙烯制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求3、5或6所述的壓電型能量收集單元，其特征在于所述壓電材料采用壓電陶瓷材料、壓電單晶材料、無(wú)鉛壓電材料或有機(jī)壓電材料制成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電型能量收集單元，其特征在于所述沖擊塊的橫截面形狀為正六邊形、矩形或圓形。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電型能量收集單元，其特征在于所述底板、墊板、限位板、頂板和蓋板均由絕緣材料制成；所述沖擊塊采用彈性橡膠制成。
11.一種權(quán)利要求1所述的壓電型能量收集單元的應(yīng)用，其特征在于由所述的壓電型能量收集單元與負(fù)載電路串接構(gòu)成供電單元，所述負(fù)載電路由整流電路、直流變壓器和無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)串接而成。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的壓電型能量收集單元的應(yīng)用，其特征在于所述的供電單元用于收集環(huán)境的振動(dòng)能為監(jiān)測(cè)建筑物和/或機(jī)動(dòng)設(shè)備疲勞狀態(tài)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電。
13.—種權(quán)利要求1所述的壓電型能量收集單元的應(yīng)用，其特征在于由若干個(gè)所述的壓電型能量收集單元組合形成壓電型能量收集模塊。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的壓電型能量收集單元的應(yīng)用，其特征在于將所述的壓電型能量收集模塊鋪設(shè)在室內(nèi)、地鐵站或其它人流密集廣場(chǎng)的地面下。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的壓電型能量收集單元的應(yīng)用，其特征在于在所述地面下的沙土層上留出鋪設(shè)所述的壓電型能量收集模塊的凹槽，鋪設(shè)完成后在能量收集模塊上方覆蓋一層防護(hù)材料，并保持與普通地板平齊。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的壓電型能量收集單元的應(yīng)用，其特征在于將所述的壓電型能量收集模塊直接鋪設(shè)在公路、鐵路或飛機(jī)場(chǎng)的混凝土下面。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種壓電型能量收集單元及其應(yīng)用。所述的壓電型能量收集單元是由壓電振子安裝在簡(jiǎn)支梁支撐結(jié)構(gòu)中。將本發(fā)明所述的壓電型能量收集單元與負(fù)載電路串接可構(gòu)成供電單元；在橋梁、大壩、樓房等建筑物體內(nèi)，安裝上述的供電單元，可以收集環(huán)境的振動(dòng)能為監(jiān)測(cè)建筑物和/或機(jī)動(dòng)設(shè)備疲勞狀態(tài)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電。將若干個(gè)本發(fā)明所述的壓電型能量收集單元組合，可形成壓電型能量收集模塊；所述的壓電型能量收集模塊可以像普通地板一樣鋪設(shè)在室內(nèi)、地鐵站或人流密集的廣場(chǎng)等處，將人體行走時(shí)的能量轉(zhuǎn)換為電能；將所述的壓電型能量收集模塊直接鋪設(shè)在公路、鐵路或飛機(jī)場(chǎng)的混凝土下面，可以將路面的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。
文檔編號(hào)H02N2/18GK102324871SQ20111028354
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月22日
發(fā)明者任博, 徐海清, 李曉兵, 林迪, 梁柱, 狄文寧, 王東, 王升, 羅豪甦, 許春東, 趙祥永 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所