[发明专利]基于牛顿摆式颗粒链结构的压电俘能器及俘能方法

说明书

本发明公开了基于牛顿摆式颗粒链结构的压电俘能器及俘能方法，可利用牛顿摆的运动特性，实现单次激励下，多次俘获电能。当端点颗粒被提离至一定的角度后自由释放，端点颗粒的势能将转化为沿颗粒链传播的冲击波；当冲击波传播至另一端点颗粒时，冲击波将转化为颗粒的动能；颗粒在摆线的牵引下，动能转化为势能；如此往复直至整个颗粒系统的能量衰减为零。脉冲波每次经过俘能颗粒时，俘能颗粒将把部分脉冲波的能量转化为电能，以此实现为相关电子设备供电。本发明利用牛顿摆颗粒链的运动特性，在不需要连续外激励的条件下，即可实现单次激励多次俘能的效果；基于颗粒在运动过程中，势能、动能以及变形能相互转化的特点，减少了未俘获机械能的衰减作用。

技术领域

本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种基于牛顿摆式颗粒链结构的压电俘能器。

背景技术

为实现微电子产品的能量自给，压电俘能器成为当今各国学者研究的热点问题。当前对压电俘能器的研究主要集中于收集简谐振动，而环境振动的形式多种多样，其中冲击能也广泛存在于日常生活和生产中，因此对于收集冲击能的俘能器结构设计也越来越重要。冲击载荷具有作用时间短，能量集中，不易衰减等特点，因此，亟需发展一种新型的压电俘能器结构，用于收集环境中的冲击载荷，为俘能器在工程领域的应用奠定基础。

牛顿摆是一种由吊绳固定的多个球形颗粒所组成，颗粒间彼此紧密横向排列的物理装置。由于整个颗粒链满足动量和能量守恒原理，因此颗粒的运动具有不易衰减，能量传递集中的特点。其特有的势能、动能和变形能相互转化的运动特性，符合压电俘能结构的能量转化特点，因此牛顿摆结构在压电俘能领域具有很大的应用潜力。

发明内容

本发明是基于牛顿摆颗粒链结构设计的一款压电俘能器，以解决当前压电俘能器对冲击能俘获困难，利用率低等问题。通过在颗粒链的中心颗粒内嵌入压电晶片，通过在单次冲击载荷激励下，实现多次俘能的效果。本发明结构简单，设计安装方便，具有一定的观赏性，便于实现在工艺品和微传感器供电设备上的推广和应用。

本发明的一种基于牛顿摆颗粒链结构的压电俘能器，包括摆线、支架、底板和颗粒链，其中颗粒链由激励颗粒、传递颗粒和俘能颗粒组成。俘能颗粒是由两个半球和压电晶片构成的三明治式结构，在压电晶片与半球之间加入绝缘层，用于电荷与颗粒的绝缘；压电晶片产生的电能通过焊点与导线连接，输出产生的电能。

本发明的牛顿摆式颗粒链结构压电俘能器的俘能方法是，为了激发压电晶片的变形，首先把一侧的激励颗粒提离至一定的角度后自由释放，此时激励颗粒具有一定的初始势能；随着激励颗粒向下摆动的过程中，势能转化为动能；当激励颗粒以一定的速度撞击颗粒链时，颗粒动能转化为沿颗粒链传播的脉冲波，即变形能；脉冲波传播至俘能颗粒时，将带动俘能颗粒内部的压电晶片产生变形，从而把一部分变形能转变成电能；而大部分的变形能将继续向前传播，当传播至另一端点颗粒时，颗粒的变形能转化为动能；当端点颗粒以一定的速度沿摆线向上摆动的过程中，颗粒动能转变为势能；当速度为零时，势能达到最大。此后又重复上述过程，如此往复，直至颗粒链的初始输入能量经过衰减和转化后降为零为止。

有益效果：本发明所述的牛顿摆式颗粒链结构压电俘能器的有益效果如下，

1.首次提出了基于牛顿摆式颗粒链结构的冲击能量俘能装置，其具有单次激励，多次俘能的优势。

2.结构简单，设计安装方便，具有一定的观赏性，便于实现在工艺品和微传感器供电设备上的推广和应用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是俘能颗粒的结构示意图

其中有：第一激励颗粒1和第二激励颗粒7，第一传递颗粒2、第二传递颗粒3、第三传递颗粒5、第四传递颗粒6，俘能颗粒4、摆线8、支架9，底板10，半球11，绝缘胶带12，压电晶片13，焊点14，导线15和凹槽16。

具体实施方式

本发明采用的具体实施方案是：