本發(fā)明涉及能量回收和新能源技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及壓電式能量收集裝置，具體涉及一種雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的壓電式流體能收集裝置。

背景技術(shù)：
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當(dāng)今能源供給有兩大明顯缺陷：一是微電子產(chǎn)品依賴化學(xué)電池為主的供能方式，難以實現(xiàn)自供能；二是過度依賴不可再生的化石能源加劇了環(huán)境惡化和能源短缺危機。

摩爾定律促使微機電技術(shù)迅速發(fā)展，小尺寸、低能耗的微電子設(shè)備的研發(fā)取得了巨大進(jìn)展，以半導(dǎo)體為主要材料的芯片實現(xiàn)了微型化和低功耗。但目前大部分微電子產(chǎn)品依賴化學(xué)電池為主的供能方式，化學(xué)電池尺寸大、壽命有限，需要更換和應(yīng)用場合有限等弊端日漸顯露。

社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對能源的需求日益劇增，化石燃料的過度消耗加劇了環(huán)境惡化和能源短缺危機，可再生清潔能源越來越受到人們的關(guān)注。

基于壓電效應(yīng)的流體能收集裝置兼具壓電能量收集裝置易于微型化、集成化可以實現(xiàn)小尺寸、低能耗的微電子設(shè)備以及半導(dǎo)體為主要材料的微型芯片的供能和流體能范圍廣、儲量大、可再生等優(yōu)勢，具有解決上述兩大能量供給缺陷的潛能。

流體是氣體和液體的總稱，在日常生活與生產(chǎn)活動中廣泛存在。大氣和水是最常見的兩種流體，大氣運動和水流運動中蘊含的流體能是地球上儲存最為豐富的能源之一，具有清潔、廉價、可再生、儲量大等優(yōu)點，利用流體能進(jìn)行發(fā)電具有巨大的應(yīng)用價值和很好的發(fā)展前景。

流體能收集裝置最常見的應(yīng)用是風(fēng)力發(fā)電。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電裝置體積大，設(shè)備建設(shè)成本高，需要巨大的投資，雖然目前已出現(xiàn)了一些微型風(fēng)能發(fā)電機，但是大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電一般采用電磁耦合形式，離不開電磁發(fā)電機，能量轉(zhuǎn)換效率一般都比較低，如申請?zhí)?01010512070.7 的由余建平等人發(fā)明的“風(fēng)力發(fā)電機”，該發(fā)電機主要利用電磁發(fā)電，利用電磁發(fā)電要求工作頻率高，且該風(fēng)力發(fā)電機的工作效率較低。

因此需要有一種新的發(fā)電原理來改變目前的風(fēng)能發(fā)電形式。將外界環(huán)境中的風(fēng)能應(yīng)用于壓電能量收集裝置是一個非常值得研究的方向，壓電能量收集裝置作為一種新型的微型發(fā)電裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)熱量小、無電磁干擾、易于加工制作和實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的微型化、集成化等優(yōu)點。壓電能量收集裝置利用壓電材料具有的正壓電效應(yīng)實現(xiàn)發(fā)電。壓電材料是一種節(jié)能型環(huán)保材料，綠色安全, 不會產(chǎn)生有毒有害的殘留物質(zhì)，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

壓電能量收集裝置大部分為利用懸臂梁單穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的振動來獲取能量，如專利CN100414808C公開了一種兩面貼壓電材料，自由端懸掛質(zhì)量塊的懸臂梁結(jié)構(gòu)。這種能量收集方式雖然實用，但在很多情況下由于周圍環(huán)境的振動較弱導(dǎo)致振幅較小，使壓電能量收集裝置的能量收集效率較低。

壓電能量收集裝置雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的提出推動了壓電能量收集器的實際應(yīng)用進(jìn)程。為了增加帶寬，降低諧振頻率并增加能量轉(zhuǎn)化效率，本專利采用雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。

目前將壓電材料與流體能結(jié)合利用的風(fēng)能收集裝置已經(jīng)出現(xiàn)如專利CN201310357008.9 公開了一種風(fēng)力帶動旋轉(zhuǎn)式壓電發(fā)電技術(shù)，該結(jié)構(gòu)雖然采用無接觸的磁激勵方式對風(fēng)能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，但該專利電磁力是直接作用于壓電懸臂梁末端，其懸臂梁末端永磁體和轉(zhuǎn)盤上永磁體之間的距離需精確計算，否則容易使壓電懸臂梁上壓電陶瓷由于變形過大而產(chǎn)生脆裂。申請?zhí)?01010519391.X，一種利用風(fēng)能的壓電能量收集方法及裝置由溫州大學(xué)申允德等人公開發(fā)明，該結(jié)構(gòu)型似風(fēng)車，設(shè)計新穎，提高了風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率，降低了壓電發(fā)電的成本。但是類風(fēng)車裝置，機械結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，難以實現(xiàn)小型化，且壓電懸臂梁均裸露在外，容易受外界環(huán)境影響，減少使用壽命。

現(xiàn)有的壓電式風(fēng)力發(fā)電裝置大都為旋轉(zhuǎn)式的，即首先利用風(fēng)使葉片旋轉(zhuǎn)、再有葉片帶動轉(zhuǎn)軸激勵壓電振子發(fā)電，如中國專利200920111349.7、200910081331.1、200910082047.6、201010519391.X 等。上述旋轉(zhuǎn)式壓電風(fēng)力發(fā)電機的除了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要機械部件轉(zhuǎn)換運動外，風(fēng)速較低時也難以驅(qū)動葉片旋轉(zhuǎn)發(fā)電、并且當(dāng)發(fā)電機安裝固定后風(fēng)能收集方向固定，對實時變化方向的風(fēng)能收集效率較低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明目的就是為了彌補已有技術(shù)的缺陷，提供一種雙穩(wěn)態(tài)壓電式多方向流體能收集裝置，用于收集大氣運動、水流運動等流體運動中蘊含的能量。所述流體能收集裝置可作為風(fēng)能收集裝置，改進(jìn)現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)式壓電風(fēng)力發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，風(fēng)能收集方向固定的缺陷并利用壓電能量收集裝置的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)增加能量收集效率。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種雙穩(wěn)態(tài)壓電式多方向流體能收集裝置，其特征在于：包括有基座、導(dǎo)流殼體、金屬薄板、柔性壓電薄膜和磁性質(zhì)量塊，所述基座為多面體結(jié)構(gòu)，所述基座上固定有多個不同朝向的導(dǎo)流殼體，所述導(dǎo)流殼體上設(shè)有流體進(jìn)出的通道，其通道的出口面與所述多面體基座側(cè)面粘接，所述導(dǎo)流殼體內(nèi)安裝有兩個金屬薄板，且分別固定于導(dǎo)流殼體的豎直面和水平面內(nèi)，所述金屬薄板上表面和下表面上分別粘貼有柔性壓電薄膜，所述金屬薄板的懸空端和導(dǎo)流殼體通道下表面上分別固定安裝有磁性質(zhì)量塊，且固定于所述導(dǎo)流殼體豎直面內(nèi)的金屬薄板懸空端與導(dǎo)流殼體水平面內(nèi)的金屬薄板懸空端的兩磁性質(zhì)量塊相對表面的極性相同，固定于所述導(dǎo)流殼體豎直面內(nèi)的金屬薄板懸空端與導(dǎo)流殼體通道下表面的兩磁性質(zhì)量塊相對表面的極性相同。

所述的導(dǎo)流殼體上的通道開口位置應(yīng)盡量與流體流入方向相符合，通道開口的尺寸和形狀與所述金屬薄板的相配合。

所述的柔性壓電薄膜，選用聚偏氟乙烯。

所述的磁性質(zhì)量塊選用永久磁鐵。

本發(fā)明的基座應(yīng)根據(jù)外界流體方向及其變化選擇合適的多面體。所述導(dǎo)流殼體是流體進(jìn)出的通道，通道開口位置應(yīng)盡量與流體流入方向相符合，通道開口尺寸取決于所述金屬薄板的實際尺寸，通道形狀取決于所述金屬薄板的設(shè)計形狀。所述金屬薄板分別固定于導(dǎo)流殼體豎直面和水平面內(nèi)。所述金屬薄板粘連在導(dǎo)流殼體的通道內(nèi)，固定在所述導(dǎo)流殼體豎直面內(nèi)的金屬薄板基面盡量垂直于流體進(jìn)出的方向以增加金屬薄板的應(yīng)變，提高輸出功率。所述磁性質(zhì)量塊利用強力膠分別固定在金屬薄板的懸空端和導(dǎo)流殼體通道下表面。所述磁性質(zhì)量塊可選用永久磁鐵，利用無接觸永磁力降低了所述金屬薄板的諧振頻率，基于雙穩(wěn)態(tài)勢能原理提高了所述金屬薄板的響應(yīng)振幅，增加了輸出功率。

本發(fā)明利用基座固定多個不同朝向的導(dǎo)流殼體可以實現(xiàn)對外界流體的多方向能量收集。所述基座的側(cè)面可全部或部分粘接導(dǎo)流殼體，所述導(dǎo)流殼體的粘接位置可根據(jù)基座位置基準(zhǔn)和外界流體方向共同確定。其不但可以收集大氣運動、水流運動等流體運動中蘊含的能量，還可以作為風(fēng)能收集裝置，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

1.本發(fā)明提出一款將壓電材料與流體能結(jié)合利用的流體能收集裝置，該裝置兼具壓電能量收集裝置易于微型化、集成化和流體能儲量大，可再生等優(yōu)勢?？刹幌娜魏位茉礊樾〕叽?、低能耗的微電子設(shè)備以及半導(dǎo)體為主要材料的微型芯片供能，提高了能量利用效率，是環(huán)境友好型能量收集裝置。

2.本發(fā)明利用在基座側(cè)面粘接多個不同朝向的導(dǎo)流殼體可實現(xiàn)對外界流體的多方向能量收集。

3.該發(fā)明利用固定在金屬薄板懸空端和導(dǎo)流殼體下通道表面的磁性質(zhì)量塊之間無接觸永磁力構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，降低了金屬薄板的諧振頻率，提高了金屬薄板的響應(yīng)振幅，增加了流體能收集裝置的輸出功率。

4.該發(fā)明可用于風(fēng)力發(fā)電，改進(jìn)了現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)式壓電式風(fēng)力發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，風(fēng)能收集方向固定的缺陷。

5.該發(fā)明設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間，同時結(jié)構(gòu)簡單，能量轉(zhuǎn)換效率高,可以廣泛應(yīng)用于機械結(jié)構(gòu)，建筑結(jié)構(gòu)等的流體能量收集。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的基臺的三維視圖。

圖2為本發(fā)明的單個完整裝配的導(dǎo)流殼體的三維視圖。

圖3為本發(fā)明的單個完整裝配的導(dǎo)流殼體的右剖視圖。

圖4為本發(fā)明的俯視圖。

圖5為本發(fā)明的三維視圖。

在所有附圖中， 相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)， 其中 ：

1為正十二棱柱基座，2為導(dǎo)流殼體，3為金屬薄板，4為磁性質(zhì)量塊，5為柔性壓電薄膜。

具體實施方式：

參見附圖。

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

圖5是按照本發(fā)明雙穩(wěn)態(tài)壓電式多方向流體能收集裝置的三維視圖。如圖5中所示，按照本發(fā)明雙穩(wěn)態(tài)壓電式多方向流體能收集裝置主要包括一個正十二棱柱基座1，十二個導(dǎo)流殼體2，二十四片金屬薄板3，十二塊固接在所述導(dǎo)流殼體通道下表面的磁性質(zhì)量塊4，二十四塊固接在所述金屬薄板懸空端的磁性質(zhì)量塊4和粘貼在所述金屬薄板上表面與下表面的柔性壓電薄膜5。所述基座1上固定有多個不同朝向的導(dǎo)流殼體2，導(dǎo)流殼體2上設(shè)有流體進(jìn)出的通道，其通道的出口面與多面體基座1側(cè)面粘接，導(dǎo)流殼體2內(nèi)安裝有兩個金屬薄板3，且分別固定于導(dǎo)流殼體2的豎直面和水平面內(nèi)，金屬薄板3上表面和下表面上分別粘貼有柔性壓電薄膜5，金屬薄板3的懸空端和導(dǎo)流殼體2通道下表面上分別固定安裝有磁性質(zhì)量塊4，且固定于所述導(dǎo)流殼體2豎直面內(nèi)的金屬薄板3懸空端與導(dǎo)流殼體2水平面內(nèi)的金屬薄板3懸空端的兩磁性質(zhì)量塊4相對表面的極性相同，固定于所述導(dǎo)流殼體2豎直面內(nèi)的金屬薄板3懸空端與導(dǎo)流殼體2通道下表面的兩磁性質(zhì)量塊4相對表面的極性相同。

其中所述正十二棱柱基座用于穩(wěn)固雙穩(wěn)態(tài)壓電式多方向流體能收集裝置并提供位置基準(zhǔn)，其材質(zhì)可直接取四十五號鋼；所述導(dǎo)流殼體為外界流體提供通道，其材質(zhì)可選用四十五號鋼；所述金屬薄板將導(dǎo)流殼體通道內(nèi)出入的流體能轉(zhuǎn)換為機械振動能量，其材質(zhì)可選用65Mn彈簧鋼。利用所述金屬薄板上表面與下表面粘貼的柔性壓電薄膜將機械振動能量轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)對外界流體能量的收集，所述柔性壓電薄膜可選用聚偏氟乙烯。所述金屬薄板懸空端和導(dǎo)流殼體通道下表面的磁性質(zhì)量塊均可選用釹鐵硼永磁鐵，并利用強力膠分別固定在所述金屬薄板懸空端和導(dǎo)流殼體通道下表面，利用無接觸永磁力構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，降低了所述金屬薄板的諧振頻率，提高了所述金屬薄板的響應(yīng)振幅，增加了流體能收集裝置的工作效率。

該雙穩(wěn)態(tài)壓電式多方向流體能收集裝置的裝配和能量收集過程：選取尺寸合適的正十二棱柱的基座，基座中心位置與所需放置位置中心重合。固定基座后，在二十四塊金屬薄板上表面與下表面粘貼柔性壓電薄膜聚偏氟乙烯。將二十四塊釹鐵硼永磁鐵用強力膠固接在金屬薄板的懸空端，將固接好永磁鐵的二十四片金屬薄板分別固定于導(dǎo)流殼體豎直面和水平面內(nèi)，固定于導(dǎo)流殼體豎直面內(nèi)的金屬薄板懸空端與導(dǎo)流殼體水平面內(nèi)的金屬薄板懸空端的兩磁性質(zhì)量塊相對表面的極性相同。固定在導(dǎo)流殼體豎直面內(nèi)的金屬薄板位置確定后，利用強力膠固定釹鐵硼永磁鐵在對應(yīng)金屬薄板正下方的導(dǎo)流殼體通道下表面，并確保兩永磁鐵相對表面的極性相同。

最后將十二個完整裝配的導(dǎo)流殼體的通道出口面與正十二棱柱的基座側(cè)面無滑移粘接。當(dāng)外界流體通過導(dǎo)流殼體內(nèi)，金屬薄板直接感受外界流體帶來的振動，金屬薄板將導(dǎo)流殼體通道內(nèi)出入的流體能轉(zhuǎn)換為機械振動能量，利用金屬薄板上表面與下表面粘貼的柔性壓電薄膜將機械振動能量轉(zhuǎn)換為電能，完成了從流體能到電能的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)對外界流體能量的收集?；鶄?cè)面粘貼的十二個完整裝配的導(dǎo)流殼體確保了外界流體方向變化時，部分金屬薄板仍可高效工作，實現(xiàn)了對外界流體的多方向能量收集。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。