本發(fā)明涉及一種低頻雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料板壓電發(fā)電裝置，可有效收集周圍環(huán)境的振動(dòng)機(jī)械能進(jìn)行發(fā)電，屬于節(jié)能技術(shù)及再生環(huán)保新能源領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著微機(jī)電技術(shù)的快速發(fā)展，從環(huán)境中捕獲能量為低功耗設(shè)備供電或?yàn)樾铍姵毓╇娨殉蔀槠惹械男枨?；傳統(tǒng)電池供電具有一系列的弊端，比如壽命短、需要定期更換、污染環(huán)境等；無論哪一條弊端都嚴(yán)重影響微電子技術(shù)的發(fā)展；因此，利用環(huán)境振動(dòng)產(chǎn)生能量為電子設(shè)備供電是很有必要的。

由于雙穩(wěn)態(tài)板在振動(dòng)過程中具有跳變行為，振幅相對較大，其應(yīng)用性值得人們關(guān)注。中國發(fā)明申請(公開號CN104079208A)公開了一種在低速水流沖擊下壓電發(fā)電裝置及方法，采用低速水流直接沖擊復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板，帶動(dòng)復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板隨著低速水流在兩種穩(wěn)態(tài)間往復(fù)變形，進(jìn)而使得壓電材料產(chǎn)生形變后產(chǎn)生電能并收集，此發(fā)明實(shí)現(xiàn)了將低速波浪能轉(zhuǎn)化為電能的功能；中國發(fā)明申請(公開號CN104079207A)公開了一種捕獲垂直方向波浪能的壓電發(fā)電裝置及方法，該發(fā)明與上述發(fā)明除了結(jié)構(gòu)上的區(qū)別外，發(fā)電原理是一樣的，同樣利用雙穩(wěn)態(tài)板的跳變行為發(fā)電，都是把將低速波浪能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。中國發(fā)明申請(公開號CN102790548A)公開了一種雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合懸臂梁壓電發(fā)電裝置，該發(fā)明使用雙穩(wěn)態(tài)梁作為振子發(fā)電，而雙穩(wěn)態(tài)板由于其振動(dòng)時(shí)板的撓度比較大，且壓電層鋪設(shè)面積大，因此，雙穩(wěn)態(tài)板壓電發(fā)電裝置發(fā)電量會(huì)更大，發(fā)電效率會(huì)更高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：提供了一種新型的高效率的雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料板壓電發(fā)電裝置，既要降低雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料板的固有頻率，又要增大該系統(tǒng)受激時(shí)的發(fā)電量，本發(fā)明旨在尋求雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料板的最佳鋪設(shè)方式和比例。

為了解決雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料板發(fā)電裝置的上述問題，本發(fā)明給出的解決方案如下：

對于降低雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料板的固有頻率問題上，本發(fā)明采用的實(shí)驗(yàn)方案是低頻雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料板壓電發(fā)電裝置，在基板(3)四周加上質(zhì)量塊(2)，基板(3)材料是雙穩(wěn)態(tài)碳纖維層合板，且質(zhì)量塊(2)材料為黃銅、鋼、鈦合金、鋁或鋁合金中的一種，壓電層(1)鋪設(shè)在基板(3)的中間；壓電層(1)的材料是PVDF壓電薄膜。電極(4)分別附著在壓電層(1)的兩個(gè)面上，由引線引出形成電流。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、利用雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料板壓電發(fā)電系統(tǒng)固有的非線性特性，在環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)作用下使雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料板發(fā)生共振，與傳統(tǒng)壓電發(fā)電裝置相比，雙穩(wěn)態(tài)板系統(tǒng)的非線性行為更為明顯，所以產(chǎn)生的電量也相對較多。

2、本發(fā)明發(fā)電裝置可以吸收周圍環(huán)境的各種機(jī)械能，現(xiàn)有的技術(shù)是把波浪能轉(zhuǎn)化為電能，相比于現(xiàn)有的技術(shù)，本發(fā)明適用性更廣，更加精簡靈活，易于加工，并可用于微機(jī)電結(jié)構(gòu)。

3、現(xiàn)有的發(fā)明專利中，以懸臂梁為振子的壓電發(fā)電裝置有很多，懸臂梁具有頻率低的特點(diǎn)，但以雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料板的壓電發(fā)電裝置還比較少，當(dāng)然，雙穩(wěn)態(tài)板和雙穩(wěn)態(tài)梁有很大的共性，相比傳統(tǒng)壓電發(fā)電裝置都會(huì)有較高的電量輸出，但雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料板壓電發(fā)電裝置相比懸臂梁為振子的壓電發(fā)電裝置，由于其壓電層鋪設(shè)面積大的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)電效率會(huì)大大提高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料板的壓電發(fā)電裝置的主視圖；

圖2是本發(fā)明雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料板的壓電發(fā)電裝置的俯視圖；

圖3是本發(fā)明雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料板的壓電發(fā)電裝置的立體圖；

圖4是本發(fā)明不同鋪設(shè)比例的壓電層發(fā)電量性能曲線圖；

圖5是本發(fā)明裝置加載不同大小質(zhì)量塊的固有頻率對比圖；

圖中：1、壓電層，2、質(zhì)量塊，3、基板，4、電極。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。

如圖1所示，低頻雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料板壓電發(fā)電裝置，該裝置主要包括基板(3)、壓電層(1)、質(zhì)量塊(2)以及電極(4)；該裝置基板(3)采用雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料板，所述基板(3)為正方形板，厚度為0.5mm，中間可加工螺紋孔，基板(3)通過螺釘固定于基座上；基板(3)的四角粘接有四個(gè)正方形質(zhì)量塊(2)；且質(zhì)量塊(2)鋪設(shè)位置不能距離壓電層太近，以免最大應(yīng)力集中在壓電層(1)邊緣，造成系統(tǒng)撕裂破壞。壓電層(1)是由壓電材料做成的正方形薄膜，大小為48mm，鋪設(shè)于基板(3)正中間；電極(4)分別附著在壓電層(1)的兩個(gè)面上，由引線引出形成電流。

所述壓電層(1)材料選用PVDF壓電薄膜；所述基板(3)材料為黃銅、鋼、鈦合金、鋁和鋁合金中的一種；所述質(zhì)量塊(2)材料與基板(3)材料一致，所述電極(4)為銅網(wǎng)鋪設(shè)。

當(dāng)壓電發(fā)電裝置受到外界機(jī)械振動(dòng)激勵(lì)發(fā)生共振時(shí)，外界的振動(dòng)引起基板(3)的振動(dòng)，基板(3)的振動(dòng)會(huì)引起壓電層(1)的變形，壓電層(1)發(fā)生形變時(shí)會(huì)因壓電效應(yīng)產(chǎn)生電能；致使此裝置具有較低的振動(dòng)頻率和較大的振幅，從而使得共振頻率降低的同時(shí)不影響裝置的發(fā)電效率。

為了考察系統(tǒng)發(fā)電量大小與壓電層鋪設(shè)長度的關(guān)系，選擇用9種不同大小的壓電層，初步設(shè)定的壓電層(1)的尺寸比例分別為基板(3)總長度的0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1。基板四角分別粘接三種底面積邊長為15mm，厚度分別為5mm，10mm，15mm的鋁質(zhì)質(zhì)量塊(2)。附圖1為該發(fā)電裝置的剖視圖，圖2是該發(fā)明裝置的俯視圖，圖3是該發(fā)明裝置的立體圖，并把本裝置安裝在激振器上，給予一定量激勵(lì)，便可測得系統(tǒng)輸出電壓，以及通過掃頻可以測得系統(tǒng)的固有頻率；并通過收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出不同鋪設(shè)比例壓電層的發(fā)電效率曲線圖如附圖4所示；圖5是加上三種不同厚度質(zhì)量塊的固有頻率前后對比圖，由圖4和圖5可以得到兩個(gè)結(jié)論：

1、系統(tǒng)加上質(zhì)量塊后固有頻率大大降低，對于三種厚度的質(zhì)量塊(2)，當(dāng)鋪設(shè)15mm厚的質(zhì)量塊(2)時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料板的固有頻率最小，因此在系統(tǒng)的承載范圍內(nèi)，加大質(zhì)量塊(2)的質(zhì)量可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)固有頻率。

2、隨著壓電層鋪設(shè)面積增大，系統(tǒng)的發(fā)電量越大，當(dāng)壓電層(1)的鋪設(shè)長度比例在0.48的時(shí)候，系統(tǒng)輸出電壓取到最高值，之后由于壓電層的增大使得系統(tǒng)剛度增加，因此板的撓度降低，致使發(fā)電量不再隨壓電層面積增大而增大。

因此通過實(shí)驗(yàn)結(jié)論得到一個(gè)最佳鋪設(shè)方案，即：當(dāng)壓電層(1)鋪設(shè)長度比例在0.48的時(shí)候，系統(tǒng)發(fā)電量最大。并且通過在基板(4)四角加載質(zhì)量塊的方法對系統(tǒng)進(jìn)行降頻。

對于質(zhì)量塊(2)的選取問題上：由于質(zhì)量塊(2)質(zhì)量越大，雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料板的固有頻率就越小，所以通過增加質(zhì)量塊(2)質(zhì)量的方法對裝置的固有頻率進(jìn)一步的降低，但質(zhì)量塊(2)質(zhì)量一味的增大勢必會(huì)造成系統(tǒng)中間固定端應(yīng)力集中，致使系統(tǒng)穩(wěn)定性不足，從而造成系統(tǒng)損壞，因此使用前應(yīng)對系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)度校核和剛度校核，系統(tǒng)添加質(zhì)量塊(2)后的最大應(yīng)力應(yīng)小于基板(3)材料的許用應(yīng)力，系統(tǒng)自身重量引發(fā)的撓度應(yīng)小于基板材料的許用撓度，一般不可超過基板質(zhì)量，可根據(jù)實(shí)際情況自行調(diào)整。

綜上所述：本發(fā)明低頻雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料板壓電發(fā)電裝置，經(jīng)加載質(zhì)量塊調(diào)節(jié)后的固有頻率較低，可以更容易受外界振動(dòng)影響發(fā)生共振，該壓電裝置受到外界振動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生的電壓也很大，利用雙穩(wěn)態(tài)板固有的非線性特性，在環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)使復(fù)合材料板發(fā)生隨機(jī)共振，發(fā)電效率明顯提高。

本發(fā)明的低頻雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)可用于微機(jī)電產(chǎn)品，如無線傳感器節(jié)點(diǎn)、飛行器及衛(wèi)星元器件等，也可用于運(yùn)動(dòng)發(fā)電，如運(yùn)動(dòng)鞋底部裝有壓電發(fā)電裝置或公路鋪設(shè)壓電發(fā)電裝置等。