[发明专利]一种微型能量采集压电树

说明书

技术领域

本发明属于可再生能源领域，特别涉及到一种可采集环境中多个方向的中低速风能和微弱振动能的微型压电树结构。

背景技术

无线传感网络技术在环境监测、建筑物健康监测、智能制造等领域具有广阔应用前景。目前的无线传感节点大多采用电池供电，由于电池具有尺寸大、寿命短、污染环境等缺点，对于包含成千上万个节点的无线传感网而言，对众多的传感节点进行充电或更换电池不仅费时、费力，有时甚至是难以实现的。近年来，采用可以将环境中广泛存在的动能(振动能、风能、流水动能等)转换为电能的微型能量采集系统替代电池作为无线传感节点的电源，已逐步成为国内外研究的热点。

风能是自然界中广泛存在的清洁能源，将风能转换为电能的微型能量采集系统是无线传感节点的一种理想电源，受到国内外广泛关注。同有转动部件的风力发电机(风能采集系统)相比，基于风致振动机理的微型风能采集系统具有结构简单、成本低、可微型化等诸多优势，是目前微型风能采集系统研究的重点。基于风致振动机理的微型风能采集系统首先利用风致振动现象将环境中的风能转换为电能，再进一步利用电磁感应、静电效应或者压电效应等原理将振动能转换为电能。对基于风致振动机理的微型风能采集系统而言，只有当风速超过某个特定的临界风速时才有较高的电学输出，目前的风能采集器还存在临界风速高等问题，极大地限制了其在无线传感领域的广泛应用；另外，目前研制的微型风能采集系统只是对某特定方向的风很敏感，而自然环境中风的方向往往是随时间而改变的。因此开发对不同方向的中低速风均具有高采集效率的微型风能采集系统，对促进风能采集系统在无线传感等领域的应用具有十分重要的意义。

自然环境中同时广泛存在振动能，将环境振动能转换为电能的微型振动能采集器也是国际上研究的热点。常规的基于谐振机理的振动能采集器频带较窄、固有频率较高，对自然环境中常见的微弱、宽带振动能的采集效率低下。另外，自然环境中的振动通常有多个方向的分量，并且方向往往也是在不断变化的，当目前的振动能采集器大多只能高效采集某一特定方向的振动能，对其他方向的振动能采集效率很低，因此其对振动能的总体采集效率较低。开展环境中微弱的低频、宽带、多方向振动能的高效采集方法研究，对促进微型振动能采集器在无线传感网络等领域的应用也具有重要意义。

在自然界中有大量的植物，如树、草等，由于它们具有不同的结构和材料特征，它们对风和振动的响应也各不相同。通过观察不同植物的响应特征，分析结构形式对其动态响应的影响，对开发高性能微型风能和振动能采集系统具有重要的参考价值。

本发明受树木在不同方向的中低速风和微弱振动的作用下就能产生大幅度摆动的现象的启发，提出一种微型能量采集压电树结构，其树干、树枝、树叶及果实均包含压电能量转换单元，其对不同方向的中低速风和微弱振动均具有较高的采集效率，同常规的风能采集系统和振动能采集系统相比具有独特的优点，环境适应性更强，在无线传感网络等领域具有广阔应用前景。

发明内容

本发明提出一种微型能量采集压电树，该压电树可以将环境中不同方向的中低速风和/或微弱振动转换为电能。

为了实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：

一种微型能量采集压电树，其由树干、树枝、树叶与果实构成，树枝固定于树干或其他树枝上，树枝上有树叶或其他树枝，树干和树枝上有果实；

其中树干根部相继连接有两根压电复合梁，这两根压电复合梁分别在两个相互垂直的平面内弯曲；

树枝根部与树干连接处有可以在竖直平面内弯曲的压电复合梁；

树叶上的部分区域贴有压电复合膜，在树叶与树枝的连接处有压电复合梁，该压电复合梁可以在竖直平面内弯曲；

果实为带滚动质量块的碰撞式动能采集单元，其包含多根压电复合梁。

在不同方向的风和/或振动的作用下，压电树的树干、树枝、树叶都将发生振动。树枝将发生弯曲振动，导致位于其根部的压电复合梁发生弯曲振动；树枝也将出现振动，导致位于树枝根部的压电复合梁发生弯曲振动；果实位于树干和树枝上，树干和树枝的振动将导致果实的振动，该果实是带滚动质量块的碰撞式能量采集系统，包含压电复合梁，树枝和树干的振动将导致果实中的滚动质量块与压电复合梁发生碰撞，引起压电复合梁振动；树叶的摆动将导致其上的压电复合膜，以及树叶与树枝连接处的压电复合梁内的应力交替变化。因此在风和/或振动的作用下，树干、树枝、树叶和果实内的压电复合梁/膜也将发生振动，由于压电效应，压电复合梁/膜的压电层上下表面之间将产生电势差，利用该电势差即可以为无线传感节点等负载供电。