[发明专利]一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种多方向宽频能量收集装置，特别涉及一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置。

背景技术

能量收集器是采集或收集周围环境中释放的微能量，包括光、热和振动，并将之转换为电能的器件。同传统的供能方式相比，如传输线、电池等，能量收集器不受连接线的限制，且无需频繁更换，有效解决了在恶劣的环境下设备因电池寿命有限带来更换不便或者维修费用高的问题。目前，振动能量收集器的类型主要有静电式、电磁式以及压电式。静电式振动能量收集器具有结构复杂，工作时需要启动电源的缺点，无法实现自供能；电磁式振动能量收集器输出电压低，无法满足大功耗电子设备的供能需求。

周围环境中的振动源都具有一定频带宽度，当振动源的频率与能量收集器谐振频率一致时，压电振动能量收集器收集效率高；然而当振动源的频率偏离悬臂梁谐振频率时，输出能量会急剧减少，收集效率低。同时外界振动源是随机振动，且振动方向不固定，目前大部分能量收集器不能同时满足多方向上的宽频能量收集，导致收集效率低。比如2013年张海霞等人提出一种压电摩擦复合式宽频带能量收集器，采用压电阵列悬臂梁振动形变和振动过程中与摩擦基底碰撞产生电能，其中压电效应产生的电能为320mV，摩擦生电产生的电能为20V，只实现了一个方向上的宽频能量收集，而且在碰撞摩擦过程中存在机械碰撞能量的损失。因此需要提出一种新颖的技术方案同时实现多方向和宽频的能量收集。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置，能够应用在一定频带宽度和振动方向不断变化的振动源环境中，实现多方向的能量收集，提高能量收集效率，基于摩擦生电原理收集能量可增大输出电压，高效率的将环境中的振动能量转换为电能，经过处理电路，连续输出电能。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置，包括质量块、弹簧、固定挡板、上电极、摩擦基底、下电极、基座；所述质量块一面与弹簧一端连接，所述弹簧的另一端与固定挡板连接构成弹性振动装置；所述弹性振动装置水平放置于基座的周围，且在每个方向上具有至少一个弹性振动装置；所述上电极设置于质量块的下表面；所述摩擦基底的上表面与上电极接触；所述下电极设置于摩擦基底的下表面，并固定于基座的上表面；上下电极可由导线引出与处理电路相连。

在一较佳实施例中：不同的所述弹性振动装置中质量块的质量可以相同或不同。

在一较佳实施例中：所述上电极与摩擦基底采用可以摩擦生电的材料。

在一较佳实施例中：所述上电极的材料为铝，摩擦基底的材料为PDMS。

在一较佳实施例中：所述上电极与摩擦基底接触的面积根据外界振动源的振动强度设计。

在一较佳实施例中：所述摩擦基底的形状可以为矩形或圆形。

在一较佳实施例中：在相同方向上的所述弹性振动装置可以设计为不同的谐振频率。

在一较佳实施例中：在不同方向上的所述弹性振动装置可以设计为相同或不同的谐振频率。

在一较佳实施例中：所述下电极与摩擦基底的接触面积可以等于或者大于摩擦基底的下表面。

在一较佳实施例中：不同的所述弹性振动装置之间的上电极与下电极分别采用并联的连接方式。

在一较佳实施例中：所述基底的形状可以为矩形或圆形。

上述的基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置，当受到某一方向上的外界激励时，与之频率相匹配的弹性振动装置发生简谐振动，振动过程中质量块上的上电极与摩擦基底的相对接触面积不断发生变化，产生电荷的移动，从而产生电流，经过上下电极与处理电路连接输出电能。通过设计弹性振动装置的位置实现多方向能量收集，改变不同弹性振动装置的固有频率实现宽频能量收集。

相对于现有技术，本发明提供的一种宽频压电振动能量收集装置具有以下优点和有益效果：

1.采用摩擦生电的原理，相比于单纯基于压电效应原理的能量收集装置输出的电压更高，更能满足功耗设备的需求。

2.利用质量块-弹簧结构振动摩擦生电，可以避免机械碰撞，减少机械能的损失，提高能量转化效率。

3.在装置的不同方向设置弹性振动装置，可以实现多方向能量收集，适用于多变的振动环境。

4.在装置的每个方向设置多个不同频率的弹性振动装置，可以实现多方向上的宽频能量收集，使应用范围更加广泛。

附图说明

图1是本发明优选实施例的三维结构示意图；

图2是本发明优选实施例的俯视图；

图3是本发明优选实施例的侧视图；