[发明专利]多单元阵列能量采集系统

说明书

本专利发明了一种基于法拉第电磁感应定律的宽频动能采集系统。该系统由微型能量采集单元阵列组成。每个能量采集单元由一个伪线性振荡器构成。在精巧设计的磁悬浮机构支持下，伪线性振荡器中的悬浮硬磁体可在一维方向自由移动。该宽频动能采集系统可用来收集并存储较宽频率的振动动能。本发明中的微型能量采集单元阵列可由成熟的晶片工艺大规模生产。微型宽频动能采集系统可以作为电源集成到无线传感器系统中，或作为电源子系统的一部分直接内置到便携式或可穿戴设备中。本专利中提出了四种无线传感器与该宽频动能采集系统集成的方案。埋置于城市道路中的中型宽频动能采集系统可将采集的城市道路振动动能用于城市道路照明系统。中型宽频动能采集系统还可悬吊于电杆上收集风能以供道路照明之用。该宽频动能采集系统安装在车辆上，与特定设计的大电容器和可充电电池一起可回收车辆驾驶中浪费的动能，以利车辆的能量综合利用效率的提高。

技术领域

本发明涉及到宽频动能采集系统。本发明能有效地将低频宽带振动动能转换为电能，并将该电能存储以供无线传感器，便携式或穿戴式电子设备，或道路照明系统之用。本发明也可以安装在车辆上，与特定设计的大电容器和可充电电池一起将回收的能量用于燃油车辆的启动，或作为电动车辆或混合动力车辆的补充电源。

背景技术

尽管电池技术和降低无线传感器的功耗降低及缩小尺寸等方面取得了很多进步，但无线传感器的应用仍然受制于电池的频繁更换或频繁充电。同时，常规电池含有许多有害物质，在使用过程中会产生有毒的副产物和释放危险气体，因此常规电池本身并不环保。无源无线传感器在诸如人的看护，健康监测，环境监测，和生物医药传感与探测等应用方面是不可或缺的组成部分，其电源可由嵌入式宽频动能采集系统有效地将低频宽带振动动能(典型的小于80Hz的振动动能)转换为电能并存储提供。嵌入式宽频动能采集系统可以随着无线传感器尺寸的缩小而小型化。

便携式或穿戴式电子设备正在改变我们的生活。随着CPU和GPU的设计优化，他们已经能实现越来越多的功能。所有这些由充电电池提供电源的设备均需频繁充电。在电池失效的情况下，如果有集合于便携式或穿戴式电子设备中的能量采集系统能连续有效的从使用者的运动中提取存储能量为之应急之用将会非常受欢迎。

全球气候变化是当今人类共同面临的巨大环境和人道危机。基于太阳能和风能的绿色能源技术已经推广多年，但也显现了他们的局限性。依赖于硅晶圆制造的太阳能技术，其制造过程并不环保。而风电又需要大量的基础投资。埋置于城市道路中的中型宽频动能采集系统是一种很重要的绿色环保技术，可采集和存储由城市交通等引起的道路振动动能而用于城市道路照明系统，以利于温室气体减排并帮助我们迎战全球气候变化。

基于机械的线性质量-弹簧振荡器设计的典型的能量采集系可将由环境引起的振动动能转换为电能，但其转换效率受制于其共振频率。大部分市场上商用的能量采集系统都只有非常窄的能量转换带宽，因此，仅有一小部分宽频振动动能被转换为电能。增宽能量转换带宽成为提高能量采集系转换效率的关键。其中一条技术路径是将能量采集系统由纯线性设计改为非线性设计(B.P.Mann and N.D.Sims，Journal of Sound and Vibration319，515-530，2009)。图1(a)和(b)给出了一种非线性设计能量采集器的示意图和它的力与位移的非线性关系。图1(c)比较了线性与非线性能量采集器的功率输出振动频率响应(C.Lee，D.Stamp，N.Kapania，J.O.Mur-Miranda，Proc.of SPIE Vol.7683，76830Y)。由C.Lee等完成的模拟与实验数据均显示非线性振荡器设计存在跳跃频率。越过跳跃频率后，非线性振荡器有多重稳态存在，其对外界宽频随机刺激的响应趋于低能稳态。为了维持非线性振荡器工作于高能稳态，需要外界不断的扰动干预。非线性振荡器的这个缺陷限制了其作为低频宽带振动动能采集器的应用。

本专利发明了伪线性振荡器单元列阵多功能宽频能量采集系统。每个伪线性振荡器单元工作于自己的特定共振频率，并与其它单元区分。所有单元一起工作将较宽频率振动动能有效地转换为电能。

发明内容