壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器的制造方法
【專利摘要】一種壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器，屬于可再生能源發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】。所述能量收集器是一種圓柱形殼體，表面粘結(jié)有若干個(gè)壓電材料，壓電材料之間通過導(dǎo)線串聯(lián)。本發(fā)明提供的能量收集器具有兩種穩(wěn)態(tài)的圓柱殼結(jié)構(gòu)，將壓電材料附著在此種雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)上，利用其圓柱形形變分布均衡的特點(diǎn)，可使附著在其上面的壓電材料的應(yīng)變變形分布均勻，能充分利用壓電材料，使得壓電材料獲得最大形變、產(chǎn)生最大電能，因此可以產(chǎn)生高效率的能量轉(zhuǎn)換。本發(fā)明實(shí)用性強(qiáng)，采用本發(fā)明的壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器可以用于壓電能量收集，具有效率高、簡單易行的特點(diǎn)。
【專利說明】壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于可再生能源發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種壓電能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著傳統(tǒng)能源的不斷消耗，直接造成了環(huán)境污染和能源緊缺的全球性難題，因此可再生能源的獲取與利用受到越來越多的關(guān)注。壓電材料具有良好的力電轉(zhuǎn)換特性，能實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換，在能量收集領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。CN100414808C公開了一種兩面貼壓電材料自由端懸掛集中質(zhì)量塊的懸臂梁結(jié)構(gòu)，可收集振動能，但產(chǎn)生的電能較小。CN101997444A也公開了一種類似的壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)。CN 103354434A公開了一種雙穩(wěn)壓電懸臂梁振動能量收集器。對于懸臂梁式的壓電能量收集裝置中普遍存在的問題是應(yīng)變分布不均，固定端的應(yīng)變較大，而自由端應(yīng)變較小，使得不能充分發(fā)揮壓電材料的潛能，發(fā)電效率不聞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器，其具有兩種穩(wěn)態(tài)的圓柱殼結(jié)構(gòu)，將壓電材料附著在此種雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)上，利用其圓柱形形變分布均衡的特點(diǎn)，可使附著在其上面的壓電材料的應(yīng)變變形分布均勻，能充分利用壓電材料，使得壓電材料獲得最大形變、產(chǎn)生最大電能，因此可以產(chǎn)生高效率的能量轉(zhuǎn)換。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器，由雙穩(wěn)態(tài)圓柱形殼體和粘結(jié)在其表面的若干個(gè)壓電材料組成，若干個(gè)壓電材料之間可通過導(dǎo)線串聯(lián)。
[0005]前述壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器中，所述的雙穩(wěn)態(tài)殼體采用復(fù)合材料與金屬混雜鋪層，在復(fù)合材料固化溫度下固化，冷卻后由于殘余熱應(yīng)力可形成圓柱形雙穩(wěn)態(tài)效果。
[0006]前述壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器中，所述的鋪層由復(fù)合材料對稱鋪層和金屬復(fù)合材料混雜鋪層組成，復(fù)合材料對稱鋪層的兩側(cè)為尺寸對稱的金屬復(fù)合材料混雜鋪層。
[0007]前述壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器中，所述的復(fù)合材料對稱鋪層為90°和0°復(fù)合材料對稱鋪層，其中90°復(fù)合材料層在外側(cè)，0°復(fù)合材料層在90°復(fù)合材料層中間，具體鋪層厚度可由所需的曲率進(jìn)行改變。
[0008]前述壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器中，所述的金屬復(fù)合材料混雜鋪層依次由90°復(fù)合材料層、金屬層、90°復(fù)合材料層組成。
[0009]前述壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器中，所述的0°復(fù)合材料層的總厚度與0°金屬層的厚度相同，同時(shí)兩種鋪層中90°層厚度相同。
[0010]前述壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器中，所述的金屬復(fù)合材料混雜鋪層和復(fù)合材料對稱鋪層的尺寸可調(diào)來獲得理想的曲率。
[0011]前述壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器中，所述的復(fù)合材料為碳纖維樹脂復(fù)合材料或玻璃纖維樹脂復(fù)合材料。[0012]前述壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器中，所述的金屬為鋁或鋁合金等輕金屬。
[0013]前述壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器中，所述的壓電材料在制備雙穩(wěn)態(tài)板時(shí)通過一起固化的方式進(jìn)行粘結(jié)，也可以固化后粘貼，為保持雙穩(wěn)態(tài)殼體的對稱性，上下表面在相同位置對稱粘貼數(shù)量相同的壓電材料，可以通過增加壓電材料的數(shù)量增大發(fā)電效率。
[0014]前述壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器中，所述的壓電材料可以為壓電陶瓷、壓電晶片或壓電薄膜。只要是具有壓電常數(shù)及高機(jī)電耦合系數(shù)和介電常數(shù)的壓電材料均可用于制備本發(fā)明的壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器。
[0015]本發(fā)明采用復(fù)合材料與金屬混雜鋪層，利用其固化后殘余熱應(yīng)力產(chǎn)生具有一定曲率的圓柱形殼體，此種殼體可以通過外載荷進(jìn)行跳變產(chǎn)生另一種理論上相同曲率的圓柱形殼體，因此這種圓柱形殼體具有兩種穩(wěn)態(tài)，可通過一定的外載荷在兩種穩(wěn)態(tài)間來回跳變。將壓電材料附著在此種雙穩(wěn)態(tài)圓柱殼體表面，由于殼體為圓柱形因此壓電材料每一處的形變都是相同的，通過外載荷驅(qū)動，可使壓電材料隨著雙穩(wěn)態(tài)殼體的跳變而產(chǎn)生形變，從而產(chǎn)生電能。此種壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器較懸臂梁結(jié)構(gòu)具有更大的形變，因此具有更高的發(fā)電效率。
[0016]本發(fā)明實(shí)用性強(qiáng)，采用本發(fā)明的壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器可以用于壓電能量收集，具有效率高、簡單易行的特點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例中固化前的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例中雙穩(wěn)態(tài)殼體鋪層方式的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0019]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式提供一種高效率的壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器，包括雙穩(wěn)態(tài)圓柱形殼體I和粘結(jié)在其表面的若干個(gè)壓電材料2。
[0020]本施例實(shí)施方式中，所述的壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器固化前為平板矩形如圖2所示，固化后為圓柱形，固化后具有兩種形狀的穩(wěn)態(tài)，如圖1所示，上方為第一種穩(wěn)態(tài)，下方為第二種穩(wěn)態(tài)。其中，雙穩(wěn)態(tài)圓柱殼體的具體鋪層方式如圖3所示，圖的上方為鋪層俯視圖，下方為不同區(qū)域鋪層的剖面圖。鋪層分為兩個(gè)區(qū)域，I區(qū)域?yàn)槔w維復(fù)合材料對稱鋪層，其中90°纖維復(fù)合材料層3在外側(cè)，而0°纖維復(fù)合材料層4在中間，如[90/0/0/90] ;11區(qū)域?yàn)榻饘倮w維混雜區(qū)域，同樣90°纖維復(fù)合材料層3在外側(cè)，金屬Al層5在中間，如[90/A1/90]。需要注意的是，為保持厚度一致，I區(qū)域中0°纖維復(fù)合材料鋪層的厚度應(yīng)與II區(qū)域金屬Al的厚度相同，而90°纖維復(fù)合材料層在兩個(gè)區(qū)域外層對稱鋪層。而為了保證對稱性從而保證可獲得相同的兩種穩(wěn)態(tài)形狀，纖維對稱鋪層I區(qū)域兩側(cè)的金屬纖維混雜區(qū)域II的尺寸是相同對稱的。
[0021]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式中采用壓電陶瓷片作為壓電材料2，在固化前，將9片壓電陶瓷片對稱鋪設(shè)在雙穩(wěn)態(tài)圓柱殼體I 一側(cè)表面的中間，如圖2所示，同樣在雙穩(wěn)態(tài)圓柱殼體I另一側(cè)表面的相同位置粘貼相同數(shù)目的壓電陶瓷片，通過一起固化的方式將壓電陶瓷與雙穩(wěn)態(tài)殼體I粘結(jié)在一起，最后利用導(dǎo)線將所有壓電陶瓷片串聯(lián)起來。
[0022]由于本實(shí)施方式中采用碳纖維復(fù)合材料，可直接利用雙穩(wěn)態(tài)圓柱殼體作為一個(gè)電極。在外載荷的作用下壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器來回地在兩種穩(wěn)態(tài)間跳變，進(jìn)而使壓電陶瓷不斷形變產(chǎn)生電能，實(shí)現(xiàn)對能量的轉(zhuǎn)換。最后通過整流電路可以將所產(chǎn)生的電能進(jìn)行儲存再利用。
【權(quán)利要求】
1.一種壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器，其特征在于所述能量收集器由雙穩(wěn)態(tài)圓柱形殼體和粘結(jié)在其表面的若干個(gè)壓電材料組成，若干個(gè)壓電材料之間可通過導(dǎo)線串聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器中，其特征在于所述的雙穩(wěn)態(tài)殼體采用復(fù)合材料與金屬混雜鋪層，在復(fù)合材料固化溫度下固化，冷卻后形成圓柱形雙穩(wěn)態(tài)效果。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器中，其特征在于所述的鋪層由復(fù)合材料對稱鋪層和金屬復(fù)合材料混雜鋪層組成，復(fù)合材料對稱鋪層的兩側(cè)為尺寸對稱的金屬復(fù)合材料混雜鋪層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器中，其特征在于所述的復(fù)合材料對稱鋪層為90°復(fù)合材料和0°復(fù)合材料對稱鋪層，其中90°復(fù)合材料層在外側(cè)，0°復(fù)合材料層在90°復(fù)合材料層中間，所述的金屬復(fù)合材料混雜鋪層依次由90°復(fù)合材料層、金屬層、90°復(fù)合材料層組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器中，其特征在于所述的0°復(fù)合材料層的總厚度與0°金屬層的厚度相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求2、3、4或5所述的壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器中，其特征在于所述的復(fù)合材料為碳纖維樹脂復(fù)合材料或玻璃纖維樹脂復(fù)合材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求2、3、4或5所述的壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器中，其特征在于所述的金屬為輕金屬。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器中，其特征在于所述的輕金屬為鋁或招合金。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器中，其特征在于所述的雙穩(wěn)態(tài)圓柱形殼體的內(nèi)外表面在相同位置對稱粘貼數(shù)量相同的壓電材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的壓電雙穩(wěn)態(tài)能量收集器中，其特征在于所述的壓電材料為壓電陶瓷、壓電晶片或壓電薄膜。
【文檔編號】H02N2/18GK103956936SQ201410228675
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】戴福洪, 李 昊, 潘殿坤 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)