[发明专利]一种振动能量收集器及其应用

说明书

本发明公开了一种基于液态金属的振动能量收集装置，包括两端开口的空心壳体，空心壳体的两端分别连接有用于盖合空心壳体的第一盖体和第二盖体；第一盖体与空心壳体之间以及第二盖体与空心壳体之间分别对称设置有摩擦纳米发电机组件，摩擦纳米发电机组件包括从外至内依次布置的电极和摩擦电材料，以及盛放在空心壳体内部的液态金属；电极连接有用于传输电荷的导线；第一盖体和第二盖体上开设有用于供导线穿过的通孔。本发明提供的振动能量收集装置低频响应好，工作频域宽，适用于多方向能量收集，且能够与多种能量收集结构结合，在双稳态结构振动能量收集器、悬臂梁振动能量收集器等领域具有很好的应用前景。

技术领域

本发明属于振动能量收集技术领域，具体涉及一种基于液态金属的振动能量收集装置及其应用。

背景技术

随着无线传感网络和微机系统的发展，微电子设备在小尺寸，低功耗方向取得了巨大的进展，而传统化学电池因为尺寸大，寿命有限，在一定程度上制约了无线传感网络和微机系统的发展。此外很多无线传感网络和微机系统的节点数量众多，而整个网络系统的工作时间又取决于某一单一节点的电池储量，在某些复杂环境下，电池的更换及维护比较麻烦，增大了成本。因此如果能收集环境中的能量，例如振动能、风能、太阳能等，利用能量收集器先将环境中这些的能量收集起来，然后经过整流升压等方法将其转化为稳定可用的电能存储到储能元件中，然后再为这些节点供电，提高各节点的续航能力，进而提高整个系统性能，使得无线传感网络和微机系统实现一定程度上的自给自足，这将对无线传感网络和微机系统的发展起到推动作用。

振动作为自然界中广泛存在的一种能量，例如海洋的波浪，人体的运动和机械的振动等，具有很大的利用潜力。目前常见的振动能量收集器根据其原理分为电磁式能量收集器、静电式能量收集器、压电式能量收集器、磁致伸缩式能量收集器、摩擦纳米发电机以及复合式能量收集器。压电式传感器由于结构简单，易于微型化等优点在振动能量收集中应用广泛，但由于压电材料脆性大，使用过程中不能承受较大应变，容易疲劳，限制了压电振动能量收集器的工作效率。近些年来，有科研团队提出了摩擦纳米发电机。摩擦纳米发电机的体积小，电压大，能量密度高，低频适应性好，十分适用于为无线传感网络和微机系统供电。

由于自然界的大多数振动都表现出低频，宽频，多方向的特点，使这些振动能量的收集比较困难。专利CN201520956231.X提出了一种低频电磁能量收集器，但其主要用于收集某一方向的振动能量，且频带集中于悬臂梁固有频率附近。专利 CN201510850660.3提出了一种多方向压电振动能量收集器，他在环形支架内对称设置了三个悬臂梁，三个质量块用弹簧两两连接，相互作用，在悬臂梁两面贴上压电材料来收集各个方向的振动能量。而针对自然界振动的宽频特性，很多团队提出了双稳态结构的能量收集器，但是当外界激励振幅较小时，双稳态能量收集装置很难越过势垒，从而只能在单个势阱内小幅振动，相比于线性能量收集器反而会降低收集能量的效率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于液态金属的振动能量收集装置，本能量收集装置能够适应更低的振动频率、可拓宽工作频带，具有多方向收集振动能量的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于液态金属的振动能量收集装置，包括两端开口的空心壳体，所述空心壳体的两端分别连接有用于盖合空心壳体的第一盖体和第二盖体；所述第一盖体与空心壳体之间以及第二盖体与空心壳体之间分别对称设置有摩擦纳米发电机组件，所述摩擦纳米发电机组件包括从外至内依次堆放在第一盖体与空心壳体之间的电极、摩擦电材料，以及盛放在空心壳体内部的液态金属；所述电极连接有用于传输电荷的导线；所述第一盖体和第二盖体上开设有用于供导线穿过的通孔。

作为优选的技术方案，所述空心壳体呈圆柱状，所述空心壳体的外表面具有外螺纹，所述第一盖体和第二盖体的内部具有与外螺纹适配的内螺纹，所述第一盖体、第二盖体通过内螺纹和外螺纹的配合与空心壳体螺纹连接。