CN101310393A - 使用频率校正的能量收集 - Google Patents

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李东建
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Abstract

一种能量收集设备(1)，包括：能量频率校正结构(5)，用于接收第一频率的机械能；固态电机械转换器(3)，耦合到逆频率校正器(5)，以接收该逆频率校正器(5)提供的力。该力当被该逆频率校正器(5)提供时使该固态转换器(3)经受高于第一频率的第二频率，从而生成电机械功率。

Description

使用频率校正的能量收集
技术领域
本发明实施例涉及使用电活性发电机(electroactive generator)和能量校正器的振动能量收集(或能量采集)技术，更特别地涉及用于将低频环境振动转换为高频振动的机械频率校正器。
背景技术
能量收集(或能量采集)被定义为将环境机械能-例如振动能量，但是不限于此-转换为可使用的电能。然后所收集的电能可用作各种低功率应用的电源，该低功率应用例如为-但是不限于-可包括无线传感器和/或通信节点的联网***的远程应用，在该远程应用中如电池的其它电源是不实用的[J.A.Paradiso，T.Starner，IEEE Pervasive Computing，Jan-Mar：18-27(2005)；S.Roundy，E.S.Leland，J.Baker，E.Carleton，E.Reilly，E.Lai，B.Otis，J.M.Rabacy，P.K.Wright，IEEE Pervasive Computing，Jan-Mar：28-35(2005)]。出于这些原因，致力于功率收集的研究量已快速增加[H.A.Sodano，D.J.Inman，G.Park，The Shock and Vibration Digest，Vol.36：197-205(2004)]。
已使用例如电机械发电的电磁、静电以及压电方法成功开发了基于振动的能量收集器[S.Roundy，E.S.Leland，J.Baker，E.Carleton，E.Reilly，E.Lai，B.Otis，J.M.Rabacy，P.K.Wright，IEEE Pervasive Computing，Jan-Mar：28-35(2005)]。压电收集器得到相当大的关注，因为与其他电机械发电机相比，压电能量转换产生相对高的电压。压电收集器可通过拉紧压电材料来将机械能转换成电能，压电材料然后使用原子变形来改变材料的极性，并产生净电压(net voltage)变化。该净电压可被采集并被转换成电池或电容器中的存储的功率，或者该净电压可在其产生时被使用。
通过压电收集器(或者发电机)累积的功率的量与激励其的机械频率成比例[H.W.Kim，A，Batra，S.Priya，K.Uchino，D.Markley，R.E.Newnham，H.E.Hofmann，The Japan Society of Applied Physics，Vol.439A：6178-6183(2004)]。在大部分非共振式能量发生器中，输入到该发电机(例如，压电材料)的机械频率对应于环境的主导机械频率，环境的主导机械频率在几乎所有情况下都相对较低(即低于100Hz)。例如，美国专利No.6,433,465B1(Mcknight等)中公开的脚跟着地(heel-strike)能量收集器[N.S.Shenck，J.A.Paradiso，IEEE Micro，Vol.21：30-41(2001)]从以约1Hz发生的步行运动中收集能量。该发电机的频率与脚跟着地的驱动频率匹配。这种低频发电机限制了可转换的电机械功率的量。因此，通过非共振式发电机收集的功率不足以对大部分基于电的***供电。因此，相对小的非共振式发电机通常由于低频环境振动不能生成足够高的功率。
另一方面，在美国专利No.3,456,134(Ko等)，美国专利No.4,900,970(Ando等)和美国专利No.6,858,870B2(Malkin等)中公开了一种共振式压电发电机。对于这种基于共振的发电机，在共振频率与环境振动源的驱动频率匹配时，可最大化收集的功率[J.A.Paradiso，T.Starner，IEEE Pervasive Computing，Jan-Mar：18-27(2005)]。另外，所收集的功率输出随着共振频率偏离驱动频率而急剧降低。为了收集最大的能量，将该***中的压电发电机设计成利用被共振地调谐到环境的主导机械频率的检测质量块(proof mass)的振荡[S.Roundy，E.S.Leland，J.Baker，E.Carleton，E.Reilly，E.Laf，B.Otis，J.M.Rabacy，P.K.Wright，IEEEPervasive Computing，Jan-Mar：28-35(2005)]。基于共振频率的收集方法将操作限制到非常窄的频带。此外，因为大部分结构共振频率低(即低于100Hz)，由于功率与输入的频率成比例，因此每个装置的单位体积可收集的功率量受到限制。因此，在许多压电材料和磁致伸缩材料能够在十几kHz的频率工作的情况下，期望能够将低范围的机械频率转换成较高的共振频率。这将意味着装置的每单元所收集的功率的数量级的增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种将低机械频率校正为高频模式的方法。与现有技术的能量收集设计相比，本发明表现出显著的进步。本发明可利用逆频率校正方法。逆频率校正将可例如来自环境振动的低频振荡源转换成更高频率的振荡。与以前的可能情况相比，该校正允许收集每单位质量更多的功率。迄今为止，所有能量收集器均依赖于相对低的环境振动，且没有使用或提出逆频率校正的特征。添加频率校正器显著地提高了每单位体积的功率输出。这种逆频率校正方法有可能生成约W/cm3级的功率密度，比传统压电能收集器目前可获得的能量密度大2-3个数量级。
该校正的频率可应用于电机械或磁机械材料，以将机械功率转换成电功率。通过使用电机械材料，可以实现基于电压的收集***，而通过使用磁机械材料，可以实现基于电流的收集***。
根据本发明实施例的能量收集设备包括：逆频率校正器，被构造成接收第一频率的机械能；固态电机械转换器，耦合到该逆频率校正器，以接收该逆频率校正器提供的力。该力当被逆频率校正器提供时，使得固态转换器经受比第一频率高的第二频率，从而生成电功率。根据本发明实施例的***可包括：上述设备，以及耦合以接收电信号的电装置。本发明实施例还可包括用于实现上述设备的方法。
附图说明
在参照附图对本发明的各种实施例的详细说明中提供了本发明的另外的特征。此外，通过参照结合附图的详细说明，将更好地理解本发明的上述和其它附属特征，在附图中：
图1描绘了传统共振式压电收集器的工作示意图；
图2描绘了具有校正器的逆频率校正的一个实施例的工作示意图；
图3描绘了具有频率校正器列的本发明的第二实施例；
图4示出了环境振动源的幅度-时间特性；
图5示出了例如如图1所示不使用校正器的现有技术的幅度-时间特性；
图6示出了例如如图2所示的实施例使用一个校正器的本发明实施例的幅度-时间特性；
图7示出了例如如图3所示的实施例使用3个系列校正器的本发明实施例的幅度-时间特性；以及
图8示出了根据本发明实施例的总的***框图。
具体实施方式
根据本发明实施例可提供一种逆频率校正，以在不改变发电机设计以进行共振调节的情况下生成更高共振频率的振动。在这种情况下，在一个振动频率的范围上有效工作的单个设计可能是有利的。下面的详细说明阐述了本发明实施例的例子，这些例子是被视为本发明的许多可能的例子中的一些例子，因此该说明应视为公开了代表性例子。用于收集的其它支持对于理解本发明不是必需的，因此在此不作说明。在其他例子中，没有详细说明众所周知的特征，以避免不必要地使本发明不明确。示出本发明各种实施例的附图没有按比例绘制。
图1示出传统压电发电机的实施例。在图1中，共振式压电发电机包括夹住的悬梁6形式的压电材料发电机1。检测质量块2附着到梁6的自由端。该梁由横向振动激励。环境振动源5使悬梁6以对应于环境的主导机械频率的频率共振。如该图所示，在共振模式3期间向上或向下使梁6弯曲产生反复的机械应力。通过在压电材料中引起应力，在该梁上生成电压7，因此可使用耦合到该压电材料的电接触(例如，引线)，来从该***收集能量。变形的幅度由该发电机的材料、几何形状以及在尖端处的质量确定。
图4示出在两个周期内与谐和(harmonic)环境驱动力相关联的位移幅度波形。图5示出激励的压电发电机的位移(或等同地，电压)幅度波形。该发电机在对应于图4所示的驱动频率的频率以小幅度共振。
图2示出根据本发明的逆频率校正装置的代表性实施例。“频率校正”指的是将高频振荡/运动转换为低频振荡/运动，而“逆频率校正”指的是将低频振荡/运动转换为高频振荡/运动。本发明的一种工作模式可以是如在上述基于传统振动的收集器中的基于压电悬臂的***的形式。所提出的逆频率校正装置100可包括：至少一个能量发生器102，呈现出应力引发的电能；频率校正器104，由附着在金属棒108上的橡胶校正器106构成。本发明的一般概念不限于当前例子中说明的特定材料和结构。校正器106使梁112向下弯曲。从校正器106释放的梁112以变化的幅度在梁112的固有频率振动。该激励的频率远高于图1所示的传统发电机的频率。图6示出如图2所示具有单个校正器的压电发电机的电压幅度波形的例子。
图3示出具有附着到金属棒206上的多个校正器202和204的逆频率校正装置200的代表性实施例。本发明不限于对逆频率校正装置200仅使用金属棒206。在不脱离本发明范围的情况下，可以使用其他材料和结构。如图2所示，由于校正器202和204根据共振模式207运动，每次经过校正器202与204之间的距离208(在任一方向)时，能量发生器210被弯曲和释放，导致能量发生器210在每次被校正器202和204弯曲和释放时重新开始振动。因此，可获得改进的能量输出。图7示出具有多个校正器，例如在该例子中具有3个校正器的压电发电机的电压幅度波形的例子。请注意，该校正器202、204的数量是任意的，且作为结果的电压幅度波形可具有与校正器202、204的数量相关的形状(例如在激励峰值的数量方面)。在不脱离本发明范围的情况下，逆频率校正器可具有一个、两个、三个或者更多数量的校正器，包括连续非离散***。
如上所述，附图示出了使用逆频率校正方案的以上实施例，在该逆频率校正方案中具有横向安装的齿状校正器的棒或者其他表面振动，从而该校正器使柔性的且可位移的结构被反复激励以振动。然而，本发明不限于此。而是本发明意在包括任何已知或待发现的逆频率校正方法或装置，包括循环(circular)，线性或其它方式的逆频率校正方法或装置(例如，可替代结构可使用齿轮以实现循环方式的逆频率校正；另一可替代结构可利用基于齿条齿轮的***实现连续非离散***)。
图8示出根据本发明实施例的***的总的框图。通常，可将第一频率的机械刺激81施加到逆频率校正器82。通常，可以有激励逆频率校正器82的多个频率和/或者频带。逆频率校正器82输出第二频率的逆校正的刺激83，该逆校正的刺激83以比第一频率高的频率激励电机械转换器。应理解第二频率可以是频谱中的一个频率。然后，可将逆校正的刺激83施加到电机械转换器84，该电机械转换器84可以例如是(但不限于)上述用于将逆校正的机械刺激83转换为电能的基于压电的装置。可将这样产生的电能施加到电***85。如上所述，电***85可包括一个或多个存储装置(电池，电容器等)和/或可对其直接施加电能的电路。
在许多情景下可采用如图8所示的***。典型的情景是在存在环境机械刺激(例如，振动)的环境中要对低功率电***供电。(可激励逆频率校正器的典型的环境机械频率可以例如约为0.1Hz-1,000Hz，而适当的固态组件可从在约100Hz-约1GHz振荡的可用的电机械转换器中选择。然而，这些仅是一些例子。本发明的一般概念不限于这些特定参数)。例如，在这种环境中可采用远程感测和/或者通信装置(例如，安装在正常振动、经受振动和/或以其它方式运动的机械或其他平台上)，且本发明实施例可用来在不使用电池或有线电源的情况下向该装置供电。
已关于各种实施例说明了本发明，对本领域技术人员来说通过前述说明，显然在不脱离本发明更广阔的方面的情况下可作出改变和修改，且因而在权利要求中限定的本发明意在覆盖落入本发明真实精神内的所有该改变和修改。

Claims (19)

1.一种能量收集设备，包括：
逆频率校正器，被构造成接收第一频率的机械能；以及
固态电机械转换器，耦合到所述逆频率校正器，以接收所述逆频率校正器提供的力，
其中，所述力当被所述逆频率校正器提供时使所述固态转换器经受比所述第一频率高的第二频率，从而生成电功率。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述逆频率校正器被构造成接收在包括所述第一频率的频带的机械能。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述逆频率校正器提供的所述力是具有与所述第一频率基本上相等的周期的周期性力。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述逆频率校正器提供的所述力是具有大于所述第一频率的周期的周期性力。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述机械能包括环境运动。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述逆频率校正器是线性型的。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述逆频率校正器是循环型的。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述逆频率校正器包括齿条齿轮结构。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述固态电机械转换器包括压电材料。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述固态电机械转换器包括电致伸缩材料和磁致伸缩材料中的至少一个。
11.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：
电存储装置，被耦合以接收所述电能。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述电存储装置包括电池。
13.根据权利要求11所述的设备，其中所述电存储装置包括电容器。
14.一种电***，包括：
能量收集设备，该能量收集设备包括：
逆频率校正器，被构造成接收第一频率的机械能；以及
固态电机械转换器，耦合到所述逆频率校正器，以接收所述逆频率校正器提供的力，
其中，所述力当被所述逆频率校正器提供时使所述固态转换器经受比所述第一频率高的第二频率，从而生成电功率；以及
电装置，被耦合以接收所述能量收集设备生成的所述电功率。
15.根据权利要求14所述的***，其中所述电装置包括传感器。
16.根据权利要求14所述的***，其中所述电装置包括通信装置。
17.一种方法，用于从环境收集电能，包括：
提供一种机械结构，该机械结构被适配成当暴露于所述环境中时，被激励以进行第一频率的周期性运动；以及
将所述机械结构耦合到固态组件，以使所述固态组件被激励以进行比所述第一频率高的第二频率的周期性运动，
其中所述固态组件适于当通过耦合到所述机械结构被激励时在所述第二频率生成电功率。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：
存储所述固态组件产生的电能。
19.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：
利用所述固态组件产生的电能对电装置供电。
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