CN106921310B - 一种电场能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种电场能量收集装置，用于解决现有电场能量收集装置存在的能量收集效率低的技术问题，包括固定座、设置在固定座上的夹具、悬臂梁和质量块，其中悬臂梁包括固定在夹具上的弹性基板以及靠近弹性基板固定端板面一侧或两侧上依次粘贴的驱动层、压电层和电极层，该能量收集装置的驱动层在外界静电场作用下产生偏置，驱动弹性基板和压电层产生振动，压电层将驱动层驱动下产生的机械振动能转换为电能，电极层将压电层产生的电能输出至外电路；质量块，固定在弹性基板的自由端，用于调节悬臂梁的谐振频率，使其发生谐振，以产生最大的输出电压。本发明有效的提高了电场能量的收集效率。
Description
技术领域
本发明属于能量收集技术领域，涉及一种能量收集装置，具体涉及一种电场能量收集装置，可用于将环境中泄露的电场能收集并转化为电能。
背景技术
能量收集装置能够收集和利用环境中的诸多能源，如振动能、声能、热能、风能和潮汐能等等，并将其转化为电能，为低功耗电子设备或器件供能。克服了传统模式下，利用电池供能时，频繁更换电池所带来的不便。加之传统电池供电方式存在供能寿命有限、体积大难以集成和易污染环境等缺陷，因此对低功耗电子设备自供电的能量收集装置亟待需要。
目前，能量收集装置根据收集和转化的对象和原理的不同，可以分为光伏能量收集装置、热电能量收集装置和压电能量收集装置三类。其中，光伏能量收集装置是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术；热电能量收集装置利用材料的热电效应将热梯度能转变为电能；压电能量收集装置，利用压电材料所具有的正压电效应将周围环境中的振动能收集并转化为电能。通常情况下，压电材料同时具有正压电效应和逆压电效应两种属性。正压电效应是指当压电材料产生机械变形时，在压电材料表面出现电荷的现象。逆压电效应是指对压电材料施加交变电场引起材料机械变形的现象。
尽管对能量收集技术的研究已取得一些成果，但对环境电场能收集方面的研究较少。而环境中的电场无处不在，全世界都基本被工频输电网覆盖，其高压变电站或高压设备周围蕴含丰富的电磁能量。测试数据表明，50kV变电站内的工频电场一般较大，最大可达18kV/m，磁感应强度达70-90μT，在某些近高压设备处如变压器母线，补偿电容电感周围，电磁能测量数值甚至更高。因此，变电站内电磁场能量相当丰富，若能有效的加以收集和利用，可作为变电站内无线传感器节点和低功耗电子设备自供电的理想供能方式。电场能量收集装置主要包括压电材料、驻极体和支撑结构，其原理是运用压电材料的逆压电效应，即放置在电场中的驻极体会产生形变，从而使压电材料产生输出电压。例如：授权公告号为CN104022688B，名称为“基于驻极体的MEMS电场能量收集器”的发明专利，公开了一种基于驻极体的MEMS电场能量收集器，主要用于对空间中交变电场的能量收集。该收集器包括：绝缘基板、压电丝、支撑面、驻极体；其中压电丝置于绝缘基板平行上方；通过支撑面上粘附的驻极体构成的静电场，对处于电场中的压电丝提供适当的偏置；当压电丝在外部电场激励下振动时，压电材料受拉伸或压缩发生应力应变导致内部电荷流动形成电信号，实现机械能向电能的转换，并通过压电丝连接的外部电路完成对电场能量的收集功能。该专利可以在一定程度上实现对电场能的收集，但采用压电丝结构，其收集效率较低，收集能量较小，很难满足实际应用需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种悬臂梁式的电场能量收集装置，用于解决现有电场能量收集装置中存在的能量收集效率低的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种电场能量收集装置，包括固定座1、设置在固定座1上的夹具2、悬臂梁3和质量块4；所述悬臂梁3包括固定在夹具2上的弹性基板31以及靠近弹性基板31固定端板面上依次粘贴的驱动层32、压电层33和电极层34，其中弹性基板31采用轻质导电材料，用于支撑驱动层32、压电层33和电极层34，并在驱动层32的驱动下产生偏离平衡位置的振动，驱动层32采用具有逆压电效应的压电薄膜材料，用于在交变电场作用下产生偏移，驱动弹性基板31和压电层33产生振动，压电层33采用具有正压电效应的MFC材料，用于将驱动层32驱动下产生的机械振动能转换为电能，电极层34采用金属导电材料，用于输出压电层33产生的电能；所述质量块4，固定在弹性基板31的自由端，用于调节悬臂梁3的谐振频率。
上述的一种电场能量收集装置，所述固定座1和夹具2，均采用绝缘材料。
上述的一种电场能量收集装置，所述驱动层32、压电层33和电极层34，依次粘贴在弹性基板31的一面或两面。
上述的一种电场能量收集装置，所述驱动层32、压电层33和电极层34，其宽度与弹性基板31相同。
上述的一种电场能量收集装置，所述固定在夹具2上的弹性基板31，其静止时板面为水平状态。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.本发明采用弹性基板固定端板面上依次粘贴驱动层、压电层和电极层的方式，驱动层驱动弹性基板和压电层产生机械振动，使压电层产生电能输出，驱动层在外界电场作用下产生较大的偏移，从而使压电层产生较大的输出电压，与现有电场能量收集装置采用压电丝相比，提高了能量收集效率。
2.本发明由于采用电极层输出压电层产生的电能，避免了接口损耗引起的能量耗散，与现有电场能量收集转置中外电路直接和压电丝连接相比，进一步提高了能量收集效率。
3.本发明采用悬臂梁式的能量收集方式，提高了结构的紧凑性和稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。
参照图1，一种电场能量收集装置，包括固定座1和设置在固定座1上的夹具2、悬臂梁3和质量块4，其中悬臂梁3在静止状态时板面为水平状态。悬臂梁3由弹性基板31、驱动层32、压电层33和电极层34组成。靠近弹性基板31固定端一侧或两侧板面上依次粘贴有驱动层32、压电层33和电极层34，即共有三种粘贴方式，第一种是只在弹性基板31上表面粘贴，第二种是只在弹性基板31的下表面粘贴，第三种是在弹性基板31的上下表面均粘贴，本实例中采用第一种实施方式。其工作原理为：放置在交变电场中的电场能量收集装置，其悬臂梁3上的驱动层32在交变电场的作用下，会发生一个固定的偏移，驱动弹性基板31和压电层33产生振动；当压电层33在驱动层32的驱动下产生振动时，根据正压电效应，压电材料受到拉伸或压缩发生应力应变导致内部电荷流动形成电信号，实现机械能向电能的转换，弹性基板31自由端的质量块4用来调节悬臂梁3的振动频率，以使其发生谐振，从而在最大程度上实现机械能向电能的转换，并通过电极层34连接的外部电路完成对泄露电场能量的收集功能。
本实例中的弹性基板31采用表面光滑、质地均匀的铜片，驱动层32采用逆压电效应显著的压电薄膜材料，压电层33采用正压电效应优越的MFC材料，电极层34采用导电性能优越的铜箔材料。其中驱动层32采用AB胶粘贴在弹性基板31表面，粘贴之前对弹性基板做热处理，并进行打磨，确保其表面光滑、平整。压电层33采用导电银胶粘贴在驱动层32表面，电极层34覆盖在压电层33表面。通过各层粘贴后，组成了一个整体结构，能够实现最优的性能。本实例中的弹性基板31的长度长于驱动层32、压电层33和电极层34，驱动层32、压电层33和电极层34长度相等，弹性基板31、驱动层32、压电层33和电极层34具有相同的宽度。本实例中采用电极层34确保了压电层33表面的电荷能被最大程度输出，外部整流电路通过引线与电极层34相连，引线采用导电银胶的方式固化在电极层34上，避免了因传统焊接引线方式由于焊接温度过高损坏电极层34。
由于弹性基板31上表面和下表面均可粘贴驱动层32，在驱动层32上表面或下表面粘贴压电层33时应确保粘贴的平整性，尽量排空两层之间的气泡，以免影响能量收集性能。确保电极层34完全覆盖在压电层33上，以保证电荷的最大输出电量。本实例中固定座1采用长方体的亚克力板材料，其表面光滑、四周平整。夹具2同样采用亚克力板材料，夹具2采用AB胶牢固地粘贴在固定座1上，弹性基板31通过AB胶粘贴在夹具2上，粘贴时应该确保其牢固。本实例中，在弹性基板31上表面粘贴驱动层32，在驱动层32上表面粘贴压电层33，在粘贴过程中应确保粘贴的平整性，尽量排空两层之间的气泡，以免影响能量收集性能。确保电极层34完全覆盖在压电层33上，以保证电荷的最大输出电量。本实例中，该能量收集装置在收集交变电场时我们设置电场方向自上而下时，其压电悬臂梁与电场方向保持垂直，以使驱动层32产生最大程度的偏转，从而促使压电悬臂梁产生最大的形变作用，此时的压电层33将会产生最多的输出电荷，因而能量收集装置具有最高的输出效率。为了使压电悬臂梁3在交变电场的作用下产生最大的形变量，在悬臂梁3的自由端安装了一质量块4，其质量块4可以安装在弹性基板31自由端的上表面或下表面，也可以在上下表面均固定质量块4。本实例中的质量块4固定在弹性基板31自由端的上表面，其采用矩形铁块结构，其宽度与弹性基板31相同。通过改变铁块的质量来调整悬臂梁3的谐振频率，使悬臂梁3产生谐振，从而产生最大形变量，使压电层33产生最大的输出电荷量，以此提高该电场能量收集装置的收集效率。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明的原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (5)
1.一种电场能量收集装置，其特征在于，包括固定座(1)、设置在固定座(1)上的夹具(2)、悬臂梁(3)和质量块(4)；所述悬臂梁(3)包括固定在夹具(2)上的弹性基板(31)以及靠近弹性基板(31)固定端板面上依次粘贴的驱动层(32)、压电层(33)和电极层(34)，其中弹性基板(31)采用轻质导电材料，用于支撑驱动层(32)、压电层(33)和电极层(34)，并在驱动层(32)的驱动下产生偏离平衡位置的振动，驱动层(32)采用具有逆压电效应的压电薄膜材料，用于在外界交变电场作用下产生偏移，驱动弹性基板(31)和压电层(33)产生振动，压电层(33)采用具有正压电效应的MFC材料，用于将驱动层(32)驱动下产生的机械振动能转换为电能，电极层(34)采用金属导电材料并通过导线与外部整流电路相连，用于输出压电层(33)产生的电能；所述质量块(4)，固定在弹性基板(31)的自由端，用于调节悬臂梁(3)的谐振频率。
2.根据权利要求1所述的一种电场能量收集装置，其特征在于，所述固定座(1)和夹具(2)，均采用绝缘材料。
3.根据权利要求1所述的一种电场能量收集装置，其特征在于，所述驱动层(32)、压电层(33)和电极层(34)，依次粘贴在弹性基板(31)的一面或两面，共有三种粘贴方式，第一种是只在弹性基板(31)上表面粘贴，第二种是只在弹性基板(31)下表面粘贴，第三种是在弹性基板(31)的上下表面均粘贴。
4.根据权利要求1所述的一种电场能量收集装置，其特征在于，所述驱动层(32)、压电层(33)和电极层(34)，其宽度与弹性基板(31)相同。
5.根据权利要求1所述的一种电场能量收集装置，其特征在于，所述固定在夹具(2)上的弹性基板(31)，其静止时板面为水平状态。
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