[发明专利]一种带柔性支承的微型压电风能采集器

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统（MEMS）领域，特别涉及到将环境风能转换为电能的MEMS微能源(Power MEMS)技术。

背景技术

同电池等传统能源相比，基于MEMS技术的、直接将环境中广泛存在的振动能、流体动能、热能、太阳能等转换为电能的微能源具有尺寸小、寿命长、易集成等诸多优点，是无线传感网络和微小型自治式微系统迫切需要的理想电源，是当前国际上微能源研究的热点。基于风致振动机理的微型能采集器利用风载荷引起的微结构振动将环境风能转换为微结构振动能，进一步利用电磁感应、压电效应或静电效应将微结构振动能转换为电能，实现对负载或储能器的供电，具有结构简单、不含转动部件等诸多优点，在环境监测、建筑物健康监测等无线传感网络等方面有广阔应用前景。

微型振动式风能采集器输出的电能需要通过整流、储能等环节，才能为负载供电，以上环节需要消耗部分电能，当采集器输出功率过低时，其产生的电能大部分被以上环节消耗，难以被应用对象利用。微型振动式风能采集器的输出功率由采集器振幅决定，而该振幅直接依赖于环境风速的大小。根据风载荷特点可知，风对结构施加的风载荷包含静风载荷和动风载荷两部分，其中动风载荷的频率随着风速的增加而增加，当环境风速达到某个值（临界风速）时，动风载荷的频率接近或达到微型振动风能采集器固有频率，采集器将产生强烈振动，使其振幅达到某个值（临界振幅）以上，采集器才能正常应用（即为应用对象正常供电）。

针对中、小风速应用环境，重庆大学提出引入质量块来降低微型振动式风能采集器固有频率的技术（发明专利申请号：201010233045.5），进一步达到降低风能采集器正常工作的临界风速，扩大其应用范围的目的。

发明内容

本发明的目的是提出一种带柔性支承的微型压电风能采集器，是另一种降低微型压电风能采集器正常工作的临界风速的方法与结构，在大型建筑物健康监测、国土安全监测、环境监测等领域均有广阔应用前景。

为了实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：

一种带柔性支承的微型压电风能采集器，其包括微支架、压电复合梁（即含压电层的复合梁）、柔性支承和底座。其柔性支承为不含压电层的柔性梁。微型压电风能采集器可以采用以下两类结构：

（1）压电复合梁的一端通过柔性支承固定于微支架上，另一端自由，或两端均通过柔性支承固定于微支架上，微支架固定于底座上。

（2）压电复合梁的一端固定于微支架上，另一端自由，或两端均固定于微支架上，微支架固定于柔性支承上，进一步通过柔性支承固定于底座上。

以上压电复合梁的压电层上、下表面均设置有电极，动风载荷引起的微型风能采集器系统产生振动，将环境风能转换为振动能，其中压电复合梁的振动将引起其上的压电层应力的交替变化，由于压电效应，在压电层的上、下表面之间将产生电势差，利用该电势差可实现对负载或储能器的供电。

将以上微型风能采集器的振动部分可以简化为一个由弹簧?质量块组成的单自由度系统，由振动理论可知，该采集器的固有频率为

，                         （1）

上式中m为主动部分的等效质量，由柔性支承和振动梁/膜的质量和对应振动的振型决定；等效刚度K由柔性支承的刚度和振动梁/膜的材料、厚度、长度、宽度决定，其中柔性支承刚度随柔性支承的材料特性和几何形状与尺寸决定。当柔性支承的长度、宽度和厚度减小时，或则柔性支持采用更软的材料时，柔性支承的刚度将降低，从而导致以上等效刚度K的降低，进一步导致微型风能采集器固有频率的降低。

根据结构的风致振动机理可知，当动风载荷的频率接近或达到微型风能采集器固有频率时，采集器将产生强烈振动。动风载荷的主要部分是由于旋涡脱落引起，旋涡脱落的频率为

,                         （2）

式中为斯脱罗哈数（Strouhal数），D是结构垂直于来流方向平面上的特征尺寸，U是风速。由上式可见，漩涡脱落的频率随着风速U的提高而提高。由于当旋涡脱落的频率接近或达到微型风能采集器固有频率时，采集器才产生强烈振动，因此在迎风尺寸不变的情况下，固有频率更高的采集器只有在更高的风速下才能产生强烈的振动，才能正常应用。本发明引入的柔性支承可以有效降低基于风致振动的微型风能采集器的固有频率，所以可以有效降低采集器正常工作的风速。