一种混合能量采集装置和一种传感器供电系统的制作方法

1.本实用新型涉及能量采集技术领域，尤其是一种混合能量采集装置和一种传感器供电系统。


背景技术：

2.近年来，随着技术创新，智能无线传感器网络(wsn)系统得到了开发，该系统已被用于提高社会未来的公共福利。尽管这些创新的wsn系统推动了公共福利的发展，但它们的构建和发展仍在不断继续，相关的维护则需要天文数字。尤其是，为wsn系统供电面临着很大的挑战，因为很难将电源电缆与多个传感器相连，因此，基于wsn的临时供电系统成为了相关研究的重点。然而，由于电池的容量有限，没有自供电功能的能源限制了wsn系统的可持续运行，给用户带来了不便。此外，超低功耗系统和高容量电池虽然可以延长wsn系统的运行时间，但不能保证系统连续运行几十年。因此，利用能源采集系统将浪费的环境能源转化为有价值的电能用于为wsn系统供电是亟需解决的问题。
3.在相关能量采集技术中，基本采用单一的能量采集方式，但是单一能量的采集具有一定的局限性，存在采集能量有限，采集效率较低、输出功率较小的问题。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本实用新型的目的在于：提供一种结构简单、采集效率高的混合能量采集装置。
5.本实用新型的另一个目的在于：提供一种传感器供电系统。
6.本实用新型一方面所采取的技术方案是：
7.一种混合能量采集装置，包括：
8.固定组件；
9.能量生成组件，所述能量生成组件包括第一柱体结构以及设置在所述第一柱体结构上的惯性振动模块和风致振动模块，所述第一柱体结构的一端与所述固定组件转动连接，所述惯性振动模块和所述风致振动模块用于驱动所述第一柱体结构振动；
10.能量采集组件，所述能量采集组件包括第一形变结构以及设置在所述第一形变结构上的压电片，所述第一形变结构的一端与所述第一柱体结构连接，所述第一形变结构的另一端与所述固定组件连接。
11.进一步，所述压电片设置在所述第一形变结构的表面；
12.或，
13.所述压电片嵌入所述第一形变结构内部。
14.进一步，所述第一形变结构采用伸缩性良好的钢铁材料或铍青铜材料。
15.进一步，所述惯性振动模块包括激振器和第一驱动模块，所述第一驱动模块与所述激振器电连接，所述第一驱动模块用于驱动所述激振器产生第一作用力，所述第一作用力用于驱动所述第一柱体结构振动。
16.进一步，所述风致振动模块用于产生第二作用力，所述第二作用于用于驱动所述第一柱体结构振动。
17.进一步，所述第一柱体结构远离所述固定组件的一端的横截面面积大于所述第一柱体结构靠近所述固定组件的一端的横截面面积。
18.进一步，所述第一柱体结构的一端与所述固定组件铰接，所述第一形变结构的一端与所述第一柱体结构铰接。
19.进一步，所述第一柱体结构的固有频率与所述第一形变结构的固有频率相同。
20.进一步，所述能量生成组件还包括设置在所述第一柱体结构上的止动阀。
21.本实用新型另一方面所采取的技术方案是:
22.一种传感器供电系统，其特征在于，包括：
23.如上述一方面所采取的技术方案所述的混合能量采集装置；
24.能量存储装置，所述能量存储装置与所述压电片电连接；
25.传感器，所述压电片与所述能量存储装置均与所述传感器电连接。
26.本实用新型一方面的有益效果是：混合能量采集装置包括固定组件、能量生成组件以及能量采集组件，能量生成组件包括第一柱体结构、惯性振动模块和风致振动模块，能量采集组件包括第一形变结构和应变片，在使用时通过固定组件将该装置固定在存在机械振动和风能的环境中，通过惯性振动模块和风致振动模块驱动第一柱体结构带动第一形变结构振动，同时应变片会产生一定的电流，从而将环境中振动能和风能转换成了电能。本本实用新型结构简单，充分利用环境中的振动能和风能，大大提高了能量采集的效率和可靠性，从而提高了采集到的能量的输出功率，可用于为传感器提供持续稳定的能量。
27.本实用新型另一方面的有益效果是：传感器供电系统包括上述的混合能量采集装置、能量存储装置以及传感器，通过对混合能量采集装置的限定，本实用新型提供的传感器供电系统相较传统的传感器供电系统而言，更加稳定可靠，且更加环保。
附图说明
28.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
29.图1为本实用新型实施例提供的一种混合能量采集装置的结构示意图；
30.图2为本实用新型实施例提供的一种传感器供电系统的结构框图。
31.附图标记：
32.100、固定组件；200、能量生成组件；201、第一柱体结构；2011、球头结构；300、能量采集组件；301、第一形变结构。
具体实施方式
33.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
34.参照图1，本实用新型实施例提供了一种混合能量采集装置，包括：
35.固定组件100；
36.能量生成组件200，能量生成组件200包括第一柱体结构201以及设置在第一柱体结构201上的惯性振动模块(图中未示出)和风致振动模块(图中未示出)，第一柱体结构201的一端与固定组件100转动连接，惯性振动模块和风致振动模块用于驱动第一柱体结构201振动；
37.能量采集组件300，能量采集组件300包括第一形变结构301以及设置在第一形变结构301上的压电片(图中未示出)，第一形变结构301的一端与第一柱体结构201连接，第一形变结构301的另一端与固定组件100连接。
38.具体地，本实用新型实施例的能量采集组件300利用压电效应将振动能转换为电能，其原理是，压电片在第一形变结构301带动下产生受迫振动而发生弯曲变形，进而引起压电薄膜内应变和应力的变化。根据压电学理论，当压电薄膜内应变和应力产生变化时，在其表面将有自由电荷产生，便会产生电位差(称之为正压电效应)，进而产生一定的电流。
39.本实用新型实施例在使用时通过固定组件100将该装置固定在存在机械振动和风能的环境中，通过惯性振动模块和风致振动模块驱动第一柱体结构201带动第一形变结构301振动，同时应变片会产生一定的电流，从而将环境中振动能和风能转换成了电能。本本实用新型结构简单，充分利用环境中的振动能和风能，大大提高了能量采集的效率和可靠性，从而提高了采集到的能量的输出功率，可用于为传感器提供持续稳定的能量。
40.转动连接可通过多种方式实现，如铰接、铆接或通过螺栓螺母连接等方式。
41.可以理解的是，本实用新型实施例可以设置在工程结构(如桥梁)上，可同时将工程结构的振动能和环境中的风能采集起来为传感器进行供电。
42.进一步作为可选的实施方式，压电片设置在第一形变结构301的表面；
43.或，
44.压电片嵌入第一形变结构301内部。
45.具体地，压电片的材料可以有多种选择，优先选择具有质量轻、质地柔软、可加工性好及频响宽的压电材料，比如pvdf及其共聚物(薄膜)、聚丙烯(pp)等。
46.进一步作为可选的实施方式，第一形变结构301采用伸缩性良好的钢铁材料或铍青铜材料。
47.进一步作为可选的实施方式，惯性振动模块包括激振器和第一驱动模块，第一驱动模块与激振器电连接，第一驱动模块用于驱动激振器产生第一作用力，第一作用力用于驱动第一柱体结构201振动。
48.具体地，将能量采集装置安装在实际工程较大的振动部位中，惯性振动模块受到工程中振动的干扰，在其惯性力作用下，驱动第一柱体结构201振动从而带动第一形变结构301和应变片振动。
49.可选地，将混合能量采集装置安装在实际工程中的振动较大部件特别是工程振动较为频繁的部件，比如桥梁工程的桁架上，车辆行驶导致桥梁产生不同频率的振动，这些振动会导致预先在振动部件安装好的混合能量采集装置的振动，在惯性力作用下导致第一柱体结构201产生不同方向摆动，进而带动第一形变结构301的拉伸或压缩，产生振动。
50.进一步作为可选的实施方式，风致振动模块用于产生第二作用力，第二作用于用于驱动第一柱体结构201振动。
51.具体地，风致振动模块利用涡激振动的原理，当一定的风速下，风致振动模块表面会交替发放的泻涡，这种交替发放的泻涡又会在柱体上生成顺流向及横流向周期性变化的脉动压力，从而使第一柱体结构201产生周期性振动，进而带动第一形变结构301和应变片振动。
52.本实用新型实施例适合在低风速下运行，当雷诺数re到达一定数量后会产生涡脱落。雷诺数re＝ρvd/μ，其中v、ρ、μ分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为一特征长度；涡脱落与st斯特劳哈尔数有关，其计算公式st＝fd/v，f是涡脱落频率。
53.进一步作为可选的实施方式，第一柱体结构201远离固定组件100的一端的横截面面积大于第一柱体结构201靠近固定组件100的一端的横截面面积。
54.具体地，第一柱体结构201的形状大小、气动外形的大小可根据环境的风场情况进行设计。本实用新型实施例的第一柱体结构201采用上粗下细的设计，目的是考虑到第一柱体结构201的上端风速较大，而下端靠近地面风速较小，为保持统一的雷诺数，使得产生不同截面位置保持相同的涡脱频率。
55.进一步作为可选的实施方式，第一柱体结构201的一端与固定组件100铰接，第一形变结构301的一端与第一柱体结构201铰接。
56.具体地，如图1所示，本实用新型实施例的第一柱体结构201为一个细长圆柱状的结构，其一端是一个球头结构2011，与固定组件100铰接，在工程中机械振动和风致振动下实现不同方向的转动。第一柱体结构201还与第一形变结构301的一端铰接。
57.进一步作为可选的实施方式，第一柱体结构201的固有频率与第一形变结构301的固有频率相同。
58.具体地，第一柱体结构201与第一形变结构301的固有频率相同时，容易产生共振，从而进一步提高了本装置能量采集的效率。
59.可选地，可使第一形变结构301的固有频率和涡激振动的频率保持一致，利用共振从而进一步提高本装置能量采集的效率。
60.进一步作为可选的实施方式，能量生成组件200还包括设置在第一柱体结构201上的止动阀。
61.具体地，当环境中振动过强或风速过大时，容易使混合能量采集至受到破坏，止动阀的设置可抑制第一柱体结构201的大幅度振动，从而对本装置产生一定的保护作用。
62.参照图2，本实用新型实施例还提供了一种传感器供电系统，包括：
63.如上述实施例限定的混合能量采集装置；
64.能量存储装置，能量存储装置与压电片电连接；
65.传感器，压电片与能量存储装置均与传感器电连接。
66.具体地，本实用新型实施例的混合能量采集装置与传感器和能量存储装置电连接，混合能量采集装置产生的电能可直接为传感器供电，同时富余的电能可通过能量存储装置进行存储，当环境中振动能和风能过小，无法产生足够的电能供给传感器的用电时，可通过能量存储装置对传感器进行供电，这样一方面避免了能量的浪费，另一方面保证了传感器的稳定运行。
67.应当认识到，图2中混合能量采集装置的部分组件未示出，箭头所示为电能的传输走向，并不构成对电连接输入和/或输出的限制。
68.可选的，一个传感器供电系统可包括多个混合能量采集装置，每个压电片产生的电流用电线引出，并汇合后作为混合能量采集装置的总连接端，该连接端连接到系统的控制模块，在控制模块的控制下将混合能量采集装置的电能输送至传感器或能量存储装置。
69.本实用新型能够有效利用环境中的振动能和风能，并将真动能和风能转化为电能为传感器供电，相较传统的传感器供电系统而言，更加稳定可靠，且更加环保。
70.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
71.在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
72.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
73.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
74.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
75.以上对本实用新型的较佳实施例进行了具体说明，但本实用新型并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。