新型壓電式水中振動能量采集裝置的制造方法
【專利摘要】一種新型壓電式水中振動能量采集裝置,包括管道，圓柱鈍體，壓電雙晶片，壓電聚合物薄膜，導線，整流電路，充電電池，電極點。本實用新型解決了現(xiàn)有技術(shù)對水下能量采集和轉(zhuǎn)化，并解決水下工作電路模塊電池供電的不足的問題，實現(xiàn)了利用流體通過鈍體結(jié)構(gòu)時，形成渦街，渦街與壓電聚合物相互作用使得壓電雙晶片振動，通過壓電效應(yīng)將機械能轉(zhuǎn)換為電能。且可以將單個能量采集裝置沿管道實現(xiàn)多個陣列化排布，以增加輸出功率。
【專利說明】
新型壓電式水中振動能量采集裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種新型壓電式水中振動能量采集裝置，屬于能源技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]能量采集是一個將周圍能量轉(zhuǎn)換成電能的過程，例如太陽能、熱能、機械振動能。近些年隨著便攜式電子設(shè)備和無線技術(shù)的發(fā)展引導了超小型低功率的傳感器和執(zhí)行器的發(fā)展。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式智能結(jié)構(gòu)和可穿戴式健康監(jiān)測等功耗低、獨立工作系統(tǒng)的迅速發(fā)展，對長壽命的獨立電源供應(yīng)技術(shù)的需求越來越強烈。目前，環(huán)境振動能量采集技術(shù)是解決以上問題的有效方法。以壓電材料的壓電效應(yīng)作為換能基礎(chǔ)設(shè)計制作的壓電發(fā)電裝置因具備能量密度高，壽命長，可與MEMS加工工藝兼容等優(yōu)點，因而獲得了廣泛的關(guān)注。
[0003]壓電能量采集器的工作原理是基于壓電材料的正壓電效應(yīng)，其正壓電效應(yīng)是將機械能轉(zhuǎn)化為電能，當外力作用到壓電元件上并引起材料發(fā)生變形，材料內(nèi)部正、負束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小，導致原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。所產(chǎn)生的電能依賴于外部環(huán)境振動頻率，當壓電能量采集器的系統(tǒng)頻率與外部振動頻率相匹配產(chǎn)生共振時，將輸出最大功率，但是，當壓電能量采集器的系統(tǒng)頻率偏離外部振動頻率時，輸出的功率將減少。而水下壓電振動能量采集，是利用流體繞流鈍體產(chǎn)生的渦街使壓電片產(chǎn)生振動，從而輸出電能。
[0004]壓電能量采集特別是振動能在近十年受到了很多的關(guān)注，由于水流具有很高的能量密度，是能量采集最好的選擇。本實用新型的優(yōu)點是可直接利用管道內(nèi)的流固耦合作用發(fā)電，結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝。本實用新型可用于水下的振動能量發(fā)電，并直接為水下環(huán)境工作器件的電池充電。
[0005]經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，Xiaobiao Shan , Rujun Song等在《CeramicsInternat1nal》41 (2015) S763-S767撰文“Novel energy harvesting: A macro fibercomposite piezoelectric energy harvester in the water vortex，’( “新的會^量米集:宏纖維復合壓電能量采集”《陶瓷國際》)。該文中提出了一種利用渦街振動收集能量的壓電能量采集，但是，用這種方法一方面使得結(jié)構(gòu)分離，而且采集的效果不佳。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]本實用新型目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種新型壓電式水中振動能量采集裝置，解決現(xiàn)有水下能量采集和轉(zhuǎn)換難題。利用水下流體流動產(chǎn)生流固耦合效應(yīng)，通過壓電效應(yīng)，將機械能轉(zhuǎn)換為電能，為井下電池充電。
[0007]本實用新型所述裝置結(jié)構(gòu)包括:管道，圓柱鈍體，壓電雙晶片，壓電聚合物薄膜，導線，整流電路，充電電池，電極點；
[0008]所述圓柱鈍體，壓電雙晶片、壓電聚合物薄膜、均置于管道內(nèi)部;管道的上部開有與壓電雙晶片橫截面對應(yīng)的孔洞，圓柱鈍體上部開有與壓電雙晶片橫截面對應(yīng)的孔洞;壓電雙晶片上端與下端分別通過環(huán)氧樹脂膠固定在管道上，和圓柱鈍體上;壓電聚合物通過環(huán)氧樹脂膠粘附在圓柱鈍體后。分別在壓電雙晶片與壓電聚合物表面焊接導線并引入到整流電路內(nèi)，通過整流電路與電池相連接，為電池供電。壓電雙晶片與壓電聚合物表面有一層絕緣層。
[0009]所述壓電雙晶片是由兩層壓電片通過串聯(lián)或并聯(lián)方式堆疊而成；
[0010]所述整流電路是將壓電雙晶片以及壓電聚合物薄膜產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換為直流電從而為電池充電；
[0011]所述圓柱鈍體，壓電雙晶片，壓電聚合物薄膜，導線組成的能量采集裝置可沿管道實現(xiàn)多個陣列化排布，以增加輸出功率；
[0012]所述的壓電聚合物薄膜既可以在水流中收集能量又可以引起壓電片的振動使得壓電片振動，從而使得壓電片將振動能量轉(zhuǎn)換成電能。
[0013]本實用新型解決了現(xiàn)有技術(shù)對水下能量采集和轉(zhuǎn)化，并解決水下工作電路模塊電池供電的不足的問題，實現(xiàn)了利用流體通過鈍體結(jié)構(gòu)時，形成渦街，渦街與壓電聚合物相互作用使得壓電雙晶片振動，通過壓電效應(yīng)將機械能轉(zhuǎn)換為電能。且可以將單個能量采集裝置沿管道實現(xiàn)多個陣列化排布，以增加輸出功率。
【附圖說明】

[0014]圖1為本實用新型一實施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2為本實用新型中流體流過鈍體時產(chǎn)生渦街示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本實用新型的實施例作詳細說明:本實施例在以本實用新型技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本實用新型的保護范圍不限于下述的實施例。
[0017]如圖1所示，本實施例包括:管道(I)、圓柱鈍體(2)、壓電雙晶片(3)、壓電聚合物(壓電聚合物薄膜)(4)、導線(5)、整流電路(6)、充電電池(7)。
[0018]壓電雙晶片(3)上端固定在管道上，下端與圓柱鈍體連接。
[0019]圓柱鈍體(2)，壓電雙晶片(3)、壓電聚合物(壓電聚合物薄膜)(4)、均置于管道(I)內(nèi)部。壓電雙晶片(3)上端固定在管道(I)上，下端固定在圓柱鈍體(2)上。壓電雙晶片(3)是由壓電材料制成，壓電雙晶片(3)包括三層，中間層為金屬層，上層和下層均為壓電層，上層壓電層和下層壓電層上均覆蓋有電極，上層壓電層電極和下層壓電層電極并聯(lián)連接。
[0020]管道(I)的上部開有與壓電雙晶片橫截面對應(yīng)的孔洞，壓電雙晶片(3)的一端直接粘附于孔洞內(nèi)。圓柱鈍體(2)上部開有與壓電雙晶片橫截面對應(yīng)的孔洞，壓電雙晶片(3)的下端直接粘附于孔洞內(nèi)。壓電聚合物(壓電聚合物)(4)粘附在圓柱鈍體后。為了使管道(I)內(nèi)流場穩(wěn)定，盡量使圓柱鈍體(2)置于管道(I)內(nèi)的中心位置且與水平方向垂直。
[0021]如圖1、圖2所示，本實施例的壓電雙晶片(3)在管道(I)上部要固定好。固定處防止發(fā)生晃動，與水平面垂直，且雙晶片的上下面與水流方向一致。壓電雙晶片(3)與壓電聚合物要做好絕緣處理。
[0022]壓電聚合物(4)在水流繞流鈍體產(chǎn)生的渦街力下產(chǎn)生運動，圓柱鈍體(2)在受水流沖力與渦街作用力下產(chǎn)生擺動從而帶動壓電雙晶片發(fā)生振動。從而壓電雙晶片(3)與壓電聚合物(4)產(chǎn)生電能。
[0023]本實施例在制作時，將接好導線(5)的壓電雙晶片與壓電聚合物(壓電聚合物)噴涂一層絕緣漆以作絕緣防水處理。各尺寸可根據(jù)管道(I)直徑進行選擇。
【主權(quán)項】
1.一種新型壓電式水中振動能量采集裝置，其特征在于:所述裝置結(jié)構(gòu)包括管道，圓柱鈍體，壓電雙晶片，壓電聚合物薄膜，導線，整流電路，充電電池，電極點； 所述圓柱鈍體，壓電雙晶片、壓電聚合物薄膜、均置于管道內(nèi)部；管道的上部開有與壓電雙晶片橫截面對應(yīng)的孔洞，圓柱鈍體上部開有與壓電雙晶片橫截面對應(yīng)的孔洞;壓電雙晶片上端與下端分別通過環(huán)氧樹脂膠固定在管道上，和圓柱鈍體上;壓電聚合物通過環(huán)氧樹脂膠粘附在圓柱鈍體后;別在壓電雙晶片與壓電聚合物表面焊接導線并引入到整流電路內(nèi)，通過整流電路與電池相連接，為電池供電；電雙晶片與壓電聚合物表面有一層絕緣層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型壓電式水中振動能量采集裝置，其特征在于:所述壓電雙晶片是由兩層壓電片通過串聯(lián)或并聯(lián)方式堆疊而成。
【文檔編號】H02J7/32GK205725110SQ201620656375
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年6月29日
【發(fā)明人】侯誠, 唐剛, 胡敏, 徐斌, 李志彪, 閆肖肖, 徐兵
【申請人】南昌工程學院