本發(fā)明涉及人體動(dòng)能采集領(lǐng)域，具體是一種基于單擺和壓電效應(yīng)的復(fù)合能量收集式人體動(dòng)力發(fā)電裝置。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代便攜式電子設(shè)備的發(fā)展，傳統(tǒng)的化學(xué)蓄電池由于其儲(chǔ)存電能有限、使用壽命短等缺陷，在一定程度上已經(jīng)不能夠完全滿足現(xiàn)代電子設(shè)備要求。在部隊(duì)現(xiàn)代化建設(shè)過(guò)程中，電子設(shè)備大幅度發(fā)展和裝備，如美國(guó)士兵是信息化最為全面的部隊(duì)，它們配戴有GPS地理信息儀、顯示頭盔、微光夜視儀、紅外成像儀、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信裝備等。這些裝備本身已有不少的重量，而且都需要穩(wěn)定持續(xù)的電源供電，如果利用傳統(tǒng)化學(xué)電池供電，則士兵大約三分之一的負(fù)重將來(lái)源于為這些設(shè)備供電的電源，這無(wú)疑將成為未來(lái)作戰(zhàn)中戰(zhàn)士的一個(gè)沉重負(fù)擔(dān)，即便如此，如果長(zhǎng)時(shí)間作戰(zhàn)，這些電源也無(wú)法滿足設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間供電，一旦這些裝備失去電能供給，必將造成無(wú)法想象的后果。

此外，傳統(tǒng)化學(xué)電池還存在著明顯的缺陷，如，其存儲(chǔ)的能量和供電壽命的有限性，使其在一定時(shí)間的使用期限后需要更換，造成了環(huán)境的污染和回收難題；另外，由于傳統(tǒng)電池體積關(guān)系，限制了用電裝備的微型化和集成化。因而，利用人體動(dòng)能為這些微型便攜式設(shè)備供電具有很大的意義。

根據(jù)對(duì)動(dòng)能的利用方式的不同，人體動(dòng)能采集器可分為電磁式、靜電式、壓電式和復(fù)合式能量采集器，其中以電磁式、靜電式和壓電式三種能量收集方式的研究最為成熟和廣泛，這三種能量轉(zhuǎn)換方式分別通過(guò)壓電片形變、電容器電容變化和線圈電磁感應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

靜電式集能器的工作原理是基于可變電容器，初始時(shí)刻在極板間加載一定的極化電壓，以保證起始電荷量和電壓差，然后當(dāng)外界動(dòng)能驅(qū)動(dòng)使極板之間的間距或相對(duì)面積發(fā)生改變時(shí)，電容器的電壓發(fā)生變化，進(jìn)而在外接電路上產(chǎn)生電流。根據(jù)改變電容方式的不同可將靜電式能量采集器分為變間距式和變面積式兩種。靜電式集能器的優(yōu)點(diǎn)在于很容易與各種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)集成，適合應(yīng)用于小尺度場(chǎng)合，可輸出較高的電壓，但其需要外加電源或內(nèi)置電源產(chǎn)生初始的電荷分離進(jìn)而放大，并且有輸出電流小、輸出阻抗過(guò)高和制作復(fù)雜等缺點(diǎn)，極大地限制了其應(yīng)用發(fā)展。

壓電式能量轉(zhuǎn)換裝置是利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，將機(jī)械能通過(guò)使壓電陶瓷產(chǎn)生形變從而轉(zhuǎn)化為電能。目前，壓電材料中最常用的有鋯鈦酸鉛(PZT)和聚偏氟乙烯(PVDF)。常見(jiàn)的壓電式能量采集器結(jié)構(gòu)有懸臂梁結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)、圓形結(jié)構(gòu)等。其中，壓電式能量采集器最為普遍的形式為懸臂梁結(jié)構(gòu)。包括振動(dòng)基座、懸臂梁和質(zhì)量塊，懸臂梁上附著有壓電薄膜，通過(guò)外界振動(dòng)引起懸臂梁端部質(zhì)量塊發(fā)生諧振，從而帶動(dòng)梁上壓電材料的形變，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。壓電式能量轉(zhuǎn)換裝置發(fā)出的電壓高，但電流小。

電磁式能量采集器是利用法拉第電磁感應(yīng)定律，外界動(dòng)能使磁鐵和線圈發(fā)生相對(duì)位移，引起線圈磁通量發(fā)生變化從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。電磁式能量采集器可大致分為兩類，一類是直線共振型，另一類是非共振轉(zhuǎn)動(dòng)型。直線式振動(dòng)能量收集器通過(guò)線圈和永磁體的直線相對(duì)位移將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)動(dòng)能量收集器則是通過(guò)非平衡轉(zhuǎn)子或齒輪傳動(dòng)裝置將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為永磁體或線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。

2003年，香港中文大學(xué)研制了一種AA電池微型發(fā)電裝置，如圖1所示。該裝置采用盤式彈簧與永磁體構(gòu)件構(gòu)成諧振系統(tǒng)，在裝置內(nèi)集成機(jī)電轉(zhuǎn)換和能量管理電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在工作于111Hz振動(dòng)頻率時(shí)，在100kΩ外加負(fù)載下，輸出功率約為20μW，輸出電壓峰—峰值可達(dá)1.44V。

2005年Rome et al.研究了一種將背包內(nèi)所攜帶的負(fù)載在垂直方向產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的背包裝置，利用線性軸承和一系列彈簧來(lái)支撐懸掛在肩部安全帶和框架上的負(fù)載，使負(fù)載相對(duì)于框架垂直運(yùn)動(dòng)，而后，利用齒輪齒條式發(fā)電機(jī)將這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置可產(chǎn)生的最大輸出功率約為7.37W。

以上裝置屬于直線共振型電磁能量轉(zhuǎn)換裝置，為吸收較大能量須具有較大的振動(dòng)質(zhì)量，會(huì)額外加重人體行走時(shí)的負(fù)擔(dān)。

2009年，國(guó)防科技大學(xué)單慶曉等人提出了一種收集人足部運(yùn)動(dòng)能量的旋轉(zhuǎn)式能量采集器。該發(fā)電裝置利用一個(gè)非平衡偏心轉(zhuǎn)子將人體行走時(shí)足部的擺動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)能量發(fā)電，再將電能通過(guò)整流器整流，為置于鞋后側(cè)的電池等用電裝置供電。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，在人體正常步速2Hz條件下，可產(chǎn)生0.896W的輸出功率。

2014年，Jie-hong LI等人，提出了一種置于手腕的永磁體擺錘作為轉(zhuǎn)子的微型發(fā)電裝置，該裝置由一個(gè)永磁體偏心擺錘轉(zhuǎn)子，18個(gè)線圈組成的定子和位于軸承上的一個(gè)扭力彈簧組成。當(dāng)人體胳膊擺動(dòng)時(shí)，偏心轉(zhuǎn)子將手臂的擺動(dòng)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，從而在定子線圈中產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，扭力彈簧的使用可將水平和垂直的擺動(dòng)都能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)仿真計(jì)算表明，在人體正常行走狀態(tài)下，當(dāng)轉(zhuǎn)子直徑為40mm、50g重時(shí)，可產(chǎn)生30mW的輸出功率；當(dāng)轉(zhuǎn)子直徑為70mm、50g重時(shí)，可產(chǎn)生100mW的輸出功率。

非共振旋轉(zhuǎn)型能量轉(zhuǎn)換裝置為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的連續(xù)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，轉(zhuǎn)子重量和重心所在位置需滿足特定的公式，且輸出電壓較低，后續(xù)電能轉(zhuǎn)換較困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于單擺和壓電效應(yīng)的復(fù)合能量收集式人體動(dòng)力發(fā)電裝置，可以充分吸收人體行走時(shí)手部和腿部擺動(dòng)的動(dòng)能，綜合利用壓電和電磁感應(yīng)把吸收的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，存儲(chǔ)后可為各種便攜式電子設(shè)備供電。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種基于單擺和壓電效應(yīng)的復(fù)合能量收集式人體動(dòng)力發(fā)電裝置，包括電能處理部分、殼體、轉(zhuǎn)子、永磁體、線圈繞組、壓電懸臂梁、轉(zhuǎn)軸、固定部和連接件，其中所述電能處理部分的下方固定殼體，在殼體的中部固定有若干線圈繞組；殼體的上部與電能處理部分連接處為固定部，在固定部中設(shè)置有軸承，轉(zhuǎn)子上設(shè)置有轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸與軸承連接，轉(zhuǎn)子的下方通過(guò)連接件與永磁體連接，使永磁體與線圈繞組的水平位置保持一致；在殼體上與轉(zhuǎn)子帶動(dòng)永磁體擺動(dòng)的兩側(cè)邊界相對(duì)應(yīng)的位置處設(shè)置有壓電懸臂梁，壓電懸臂梁的寬度大于殼體厚度。

進(jìn)一步，上述方案中，在所述永磁體擺動(dòng)所覆蓋的范圍內(nèi)均設(shè)置有線圈繞組。

本發(fā)明的具體實(shí)施例中，所述殼體的正面為扇形。連接件的一端與轉(zhuǎn)子固定，另一端固定于永磁體中部。連接件為一根柱狀結(jié)構(gòu)，或由兩根柱狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

本發(fā)明的發(fā)電裝置佩戴在人手腕部或綁縛在腿部。

本發(fā)明基于重力作用下的單擺原理和壓電效應(yīng)(而不是利用振動(dòng)換能)，充分利用人體行走時(shí)手臂擺動(dòng)和雙腳前后運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，把人體運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能。其能量收集過(guò)程中轉(zhuǎn)子僅在垂直平面上擺動(dòng)，無(wú)需作圓周運(yùn)動(dòng)，能有效收集人體行走過(guò)程中的低頻振動(dòng)動(dòng)能，而現(xiàn)有的非平衡擺式人體動(dòng)能收集方式都要求轉(zhuǎn)動(dòng)部件的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上要求的條件較高；本發(fā)明中轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)到兩側(cè)邊界時(shí)的剩余能量由壓電懸臂梁吸收，有利于能量收集的最大化。

附圖說(shuō)明

圖1為AA電池微型發(fā)電裝置；

圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本裝置能量收集功能實(shí)現(xiàn)流程圖；

圖4為不同步數(shù)下本發(fā)明裝置的輸出功率；

圖中：1-電能處理部分；2-殼體；3-轉(zhuǎn)子；4-永磁體；5-線圈繞組；6-壓電懸臂梁；7-轉(zhuǎn)軸；8-固定部；9-連接件。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，裝置下部為殼體2和轉(zhuǎn)子3，殼體3中部固定線圈繞組5，兩側(cè)固定壓電懸臂梁6。殼體2與電能處理部分1的連接處為固定部8，在固定部8上固定軸承，轉(zhuǎn)子3上的轉(zhuǎn)軸7通過(guò)軸承與殼體2相連，轉(zhuǎn)子3通過(guò)轉(zhuǎn)軸7和軸承配合能在平行于殼體2的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)通過(guò)連接件9與轉(zhuǎn)子3連接的永磁體4擺動(dòng)。裝置上部為電能處理部分1，用于處理裝置發(fā)出的電能。該裝置佩戴在佩戴者的手腕部或綁縛在腿部，當(dāng)人體靜止站立時(shí)，永磁體4在重力作用下處于垂直向下的位置，人體行走時(shí)，裝置殼體2隨手和腿前后運(yùn)動(dòng)，永磁體轉(zhuǎn)子則相對(duì)于殼體做往復(fù)擺動(dòng)，一方面切割固定在殼體2上的線圈繞組5發(fā)電，另一方面，由于殼體2兩邊限位處安裝有壓電懸臂梁6，永磁體4擺動(dòng)沖擊到壓電懸臂梁6的壓電元件上時(shí)，壓電元件發(fā)生振動(dòng)輸出電能，隨著前后運(yùn)動(dòng)，永磁體4不斷沖擊殼體兩邊的壓電懸臂梁6，提供其持續(xù)振動(dòng)的能量。線圈繞組5中發(fā)出的電能和壓電懸臂梁6發(fā)出的電能經(jīng)過(guò)電能處理部分1轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，可以為小型移動(dòng)式設(shè)備供電。電能處理部分1采用LINEAR公司的毫微功率能量收集模塊LTC3588-2，其功能是把線圈和壓電懸臂梁輸出的交流電整流后再進(jìn)行DC-DC變換，輸出電壓為3.45V或4.1V，適宜為便攜式電子設(shè)備所常用的小容量鋰離子電池或磷酸鐵鋰電池充電。

本裝置能量收集功能實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示，人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子擺動(dòng)，利用電磁感應(yīng)發(fā)電，再由電能處理部分(LTC3588-2)處理后，為鋰電池充電。同時(shí)轉(zhuǎn)子擺動(dòng)沖擊壓電懸臂梁，產(chǎn)生壓電效應(yīng)，由電能處理部分(LTC3588-2)處理后，為鋰電池充電。

將該裝置佩戴于被測(cè)者腿部或手腕部進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在被測(cè)者行走在不同行進(jìn)速度下測(cè)出裝置的平均輸出功率見(jiàn)圖4。