振动能量收集器、蓄电器及供电器

1.本技术涉及可再生能源发电技术领域，尤其是一种振动能量收集器、蓄电器及供电器。


背景技术：

2.随着科技的发展，全世界对能源的消费不断增加，而石油、煤炭等传统不可再生资源的储量却在逐渐消耗殆尽，远远无法保障未来人类的生活需求。此外，传统能源带来的温室效应等气候、环境问题也越来越制约着人类的生存与发展。因此，开发新的可再生清洁能源逐渐成为各个国家的重要发展议题。与太阳能、风能、海洋能等常利用的清洁能源一样，振动能广泛存在于人类生活中，但却很少被收集利用。相较于其他清洁能源，振动能受天气等外界因素的影响较低，而且与人类的生产生活息息相关，往往存在于机械结构内部，因此，振动能的收集利用引起越来越多的关注。
3.由于振动可以引起结构的变形，因此常用的振动能收集方法是利用压电材料将振动导致的形变能转化为电能。国内外大量的研究表明该方法简单、有效，同时也出现了多种线性和非线性的振动能量收集器。
4.线性振动能量收集器仅在其固定频率有较好的能量转换效率，一旦振动频率发生变化，其吸能效果大打折扣，因此在振动频率多变的实际应用场景中很难推广使用。而非线性振动能量收集器本身的非线性特性使得其工作频率范围广、输出能量大且转换效率高，因此很适合应用于振动频率多变的实际场景中。传统的磁致双稳态振动能量收集器存在结构复杂、耗能大的缺点，而基于双稳态复合材料的双稳态振动能量收集器由于材料本身的限制，存在制作复杂、变形不可控、安装单一的问题。
5.应该注意，上面对背景技术的介绍只是为了方便对本技术的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本技术的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。


技术实现要素：

6.本技术的目的是提供一种振动能量收集器、蓄电器及供电器，以解决上述背景技术指出的至少部分问题。
7.根据本技术实施例的第一方面，提供一种振动能量收集器包括：具有一个或多个双稳态区域的多稳态板，每个所述双稳态区域具有两种可相互切换的不同稳定形态，所述双稳态区域在两种所述稳定形态之间切换的运动为非线性运动，所述一个或多个双稳态区域的稳定形态的不同组合使所述多稳态板具有多种不同稳定形态；固定在所述多稳态板表面的至少一个压电元件；其中，所述双稳态区域在受到振动能量的激发时以所述非线性运动方式在其两种稳定形态之间进行形态切换，所述一个或多个双稳态区域的形态切换使所述多稳态板在其多种稳性形态之间进行形态变换，所述多稳态板的形态变换使所述压电元件发生变形而产生电能。
8.根据本技术实施例的第二方面，提供一种蓄电器，包括蓄电元件和第一方面实施例所述的振动能量收集器，所述蓄电元件与所述振动能量收集器的压电元件电连接，用于储存所述压电元件产生的电能。
9.根据本技术实施例的第三方面，提供一种供电器，包括第一方面实施例所述的振动能量收集器和输电电路，所述输电电路与所述振动能量收集器的压电元件电连接，用于将所述压电元件产生的电能供应给负载。
10.本技术实施例的有益效果包括：
11.1、本技术中多稳态板在振动能量的激励下能够进行多稳态变换，多稳态变换产生的较大变形使压电元件的压电材料发生压电效应产生电能，与现有技术相比，产电量更大，能量转换效率更高；
12.2、本技术中多稳态板在形态变换过程中呈非线性特性，使能量收集器具备宽频特性，在一定频段内都具有较好的能量吸收效果，从而能够应用于振动频率多变的实际场景中；
13.3、本技术的多稳态板具有局部双稳态特性，使能量收集器具有更大的设计自由度，可以根据不同的振动需求设计成不同形态，便于加工，变形可控。
14.参照后文的说明和附图，详细公开了本技术的特定实施方式，指明了本技术的原理可以被采用的方式。应该理解，本技术的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本技术的实施方式包括许多改变、修改和等同。
附图说明
15.所包括的附图用来提供对本技术实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本技术的实施方式，并与文字描述一起来阐述本技术的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
16.图1是本技术实施例的振动能量收集器的形态变换示意图；
17.图2是本技术实施例中双稳态区域保持下凸形态的示意图；
18.图3是本技术实施例中双稳态区域保持上凸形态的示意图；
19.图4a至图4f是本技术实施例中多种形状的双稳态区域的示意图；
20.图5a至图5d是本技术实施例中多种形状的多稳态板的示意图；
21.图6a和图6b是本技术实施例中多稳态板与振动源的一种连接方式的示意图；
22.图7a和图7b是本技术实施例中多稳态板与振动源的另一种连接方式的示意图；
23.图8是本技术实施例中多个压电元件设于多稳态板上的示意图；
24.图9是对本技术实施例的振动能量收集器和现有技术的线性振动能量收集器分别进行扫频测试得到的扫描频率与输出电压的关系示意图；
25.图10是本技术实施例的蓄电器的示意图；
26.图11是本技术实施例的供电器的示意图。
具体实施方式
27.参照附图，通过下面的说明书，本技术的前述以及其它特征将变得明显。在说明书
和附图中，具体公开了本技术的特定实施方式，其表明了其中可以采用本技术的原则的部分实施方式，应了解的是，本技术并不限于所描述的实施方式，相反，本技术包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。在本技术实施例中，除非另有说明，术语“多个”的含义是两个或两个以上，术语“多种”的含义是两种或两种以上，术语“多稳态”的含义是两种或两种以上的稳态。
28.下面参照附图对本技术实施例的实施方式进行说明。
29.第一方面的实施例
30.本技术第一方面的实施例提供一种振动能量收集器。
31.图1是本技术实施例的振动能量收集器的形态变换示意图，图2是本技术实施例中双稳态区域保持下凸形态的示意图，图3是本技术实施例中双稳态区域保持上凸形态的示意图。
32.如图1所示，振动能量收集器100包括多稳态板1和至少一个压电元件2。
33.多稳态板1具有一个或多个双稳态区域3，图1示出的实施例具有一个双稳态区域3，在其它实施例中，多稳态板1可以具有多个间隔分布的双稳态区域3。每个双稳态区域3具有两种可相互切换的不同稳定形态，换句话说，每个双稳态区域3能保持两种不同的稳定形态，且不需要能量来维持这两种稳定形态，双稳态区域3在两种稳定形态之间切换的运动为非线性运动。例如，双稳态区域3的两种稳定形态分别为下凸形态(图2)和上凸形态(图3)，双稳态区域3可以在没有能量维持的情况下保持下凸形态或上凸形态，双稳态区域3在下凸形态和上凸形态之间进行形态切换的运动为非线性运动。
34.一个或多个双稳态区域3的稳定形态的不同组合使多稳态板1具有多种不同稳定形态，当多稳态板1包括n个双稳态区域3时，理论上多稳态板1存在2n种稳定形态，从而使多稳态板1具有多稳态特性。
35.双稳态区域3的形态切换使多稳态板1的形态发生变换。参见图1，多稳态板1包括一个双稳态区域3，当双稳态区域3保持上凸形态时，多稳态板1整体呈现上凸形态，当双稳态区域3由上凸形态切换为下凸形态时，多稳态板1也随之变换为下凸形态。当多稳态板1包括多个双稳态区域3时，任意一个或多个双稳态区域3的形态切换都将导致多稳态板1的形态发生变化。
36.压电元件2固定在多稳态板1的表面，例如，多稳态板1的一个表面设有压电元件2，或者，多稳态板1的两个相对的表面均设有压电元件2，多稳态板1的每个表面上的压电元件2数量可以是一个或多个。
37.当将待收集的振动能量持续施加于多稳态板1时，受到振动能量的持续激发，双稳态区域3的形态在其两种稳定形态之间持续的切换，一个或多个双稳态区域3的持续形态切换使多稳态板1的形态在其多种稳定形态之间进行持续变换，多稳态板1的持续形态变换使压电元件2持续发生变形(如图1所示)而持续产生电能，从而将振动能量转化为电能，实现对振动能量的收集。
38.需要说明的是，振动能量可以通过非人工方式产生，比如由振动源产生，也可以通过人工施加外力产生。另外，振动能量可以是直接施加于双稳态区域3，也可以是施加于多稳态板1上除双稳态区域3之外的其它区域(称为非双稳态区域)，以由非双稳态区域传递至双稳态区域3，还可以是同时施加于双稳态区域3和非双稳态区域。
39.本技术实施例通过设置多稳态板1，在振动能量的激励下，多稳态板1发生多稳态变换，多稳态变换产生的变形量较大，使压电元件2的压电材料发生较强的压电效应产生较多的电能，与现有技术相比，产电量更大，能量转换效率更高。压电元件2产生的电能可以直接存储至蓄电池，也可以经过处理直接传输给传感器等小型用电器件。
40.另外，由于多稳态板1具有局部双稳态特性，该局部双稳态特性使收集器具有更大的设计自由度，可以根据不同的振动需求设计成不同形态，并且便于加工，变形可控。
41.此外，双稳态区域3在两种稳定形态之间切换时，是从一种稳定的状态到失稳突然转变到另一种稳定的状态，双稳态区域3在两种稳定形态之间切换的运动属于非线性运动，换句话说，双稳态区域3的形态切换呈现非线性特性，从而使得多稳态板1的多稳态变换也呈现非线性特性(称为非线性多稳态变换)，因此本技术的能量收集器属于非线性能量收集器，与线性能量收集器仅在自身的固有频率处具有较好的能量吸收效果相比，本技术的能量收集器在一定频段内都具有较好的能量吸收效果，具备宽频特性，从而能够应用于振动频率多变的实际场景中。
42.为了验证本技术的能量收集器的宽频特性，并为了将本技术的能量收集器与现有技术的线性能量收集器的能量转换效率进行对比，对二者分别进行扫频测试实验。图9示出了本技术的振动能量收集器和现有技术的线性振动能量收集器经过扫频测试得到的扫描频率与输出电压的关系示意图，其中，框11内的图谱为线性振动能量收集器的输出电压与扫描频率的关系图，框12内的图谱为本技术的振动能量收集器的输出电压与扫描频率的关系图。
43.图9表明，线性能量收集器在面对扫频测试时，其输出电压信号仅在其固有频率13处有一个峰值(即最大输出电压)，且呈现对称特性。而本技术的振动能量收集器在面对扫频测试时，其输出电压信号在其固有频率13所在的一频段14内出现多个峰值，此时压电信号明显增大，说明高电压信号在一个特定的频段14内持续出现，证明本技术的能量收集器在该频段14内都具有较好的能量吸收效果，具有宽频特性，其能量吸收效果优于线性能量收集器。
44.在频段14内出现的多个输出电压信号峰值(参见图9中圈15处)对应于多稳态板1在该频段14范围内持续发生的多稳态变换，说明本技术的多稳态板1的非线性多稳态变换能够显著提高能量吸收效果。能量收集器的有效工作频段的明显特征是输出电压信号显著增大，因此多稳态板1发生非线性多稳态变换对应的频段14即为有效工作频段。
45.发明人通过研究发现，本技术的振动能量收集器的有效工作频段与振动源的振动强度(如加速度)正相关，振动强度越大，有效工作频段的带宽也越大。在设计振动能量收集器时，为了使振动能量收集器的有效工作频段涵盖振动源的振动频率，可以依据振动源的振动频率来设计其工作频段。例如，具体实施时，通过控制多稳态板1的尺寸和形状、压电元件2的压电材料的参数、压电元件2在多稳态板1上的位置、以及引入双稳态区域3的残余应力的大小等，来设计振动能量收集器的工作频段，以使其有效工作频段涵盖振动源的振动频率。对于已制作完成的振动能量收集器，如果后期想调整该有效工作频段，可以通过调整双稳态区域3的残余应力和调整压电元件2的位置或参数来实现。因此，本技术的振动能够收集器还具备有效工作频段可调的优点，可以针对不同振动强度和不同振动频率的振动源设计相应工作频段。
46.在一些实施例中，待收集的振动能量的频率可以在一定频率范围内变化，该频率范围为振动能量收集器的有效工作频段，具体是围绕着多稳态板的固有频率向两侧拓宽，具体拓宽范围与振动源的强度保持正关性，通常振动能量收集器的有效工作频段是1hz～200hz的低频范围。
47.在一些实施例中，双稳态区域3在两种不同稳定形态之间切换的非线性运动为突弹跳变(snap-through)。例如，在振动能量的激发下，双稳态区域3通过突弹跳变在向下凸起(图2)和向上凸起(图3)两种形态之间切换。
48.在一些实施例中，多稳态板1是通过采用表面机械研磨处理(surface mechanical attrition treatment,smat)技术对金属板的局部区域进行处理得到，经过处理的局部区域成为具有梯度结构的纳米晶体表面层的双稳态区域3，因此双稳态区域3具有与梯度纳米结构材料一样优异的力学性能。基于该处理方法，多稳态板1的制造工序简单，可以在任意形状的金属板材上加工得到。
49.可选地，金属板的材质为铝合金、不锈钢、钛合金、镍基合金、镁合金或其它金属材料。
50.可选地，金属板为厚度均匀或不均匀的平板或曲面板。
51.可选地，金属板的厚度为0.1mm～2mm。
52.本实施例中，可以采用表面机械研磨处理技术对金属板的局部区域的正反两面进行处理，经过表面机械研磨处理技术处理的局部区域(也称为处理区域)的表层材料发生晶粒细化，得到的晶体尺度达到纳米级，且越靠近表层的材料晶粒尺度越小，整个表层材料呈现梯度纳米结构的特征，梯度纳米结构使得双稳态区域3的强度、抗腐蚀性和耐疲劳性均有所提升。晶粒被细化的同时残余应力也会被引入到处理区域的材料当中，处理区域的材料在表面机械研磨处理技术的作用下会发生塑性变形，而该变形会受到周围未处理区域4(也称为非双稳态区域，参见图2和图3)的约束或限制，进而变形呈现沿法向上凸和下凸两种形态，由于处理区域的两面表层材料内存在残余应力，因此在残余应力的维持下，这两种形态是独立稳定的，而不需要外力来维持，并能在一定强度的振动作用下实现切换。
53.比如，图2显示了双稳态区域3的初始形态为下凸形态，当振动条件达到形态切换的要求时则切换为图3的上凸形态，持续的振动可导致下凸形态和下凸形态发生持续切换，切换所需的能量可以通过调整加工时引入残余应力的多少来控制，从而适应不同振动条件。图2和图3中双稳态区域3的上凸和下凸形态是双稳态区域3由外缘至中心逐渐朝上或朝下凸出，双稳态区域3具有非均匀曲率。
54.双稳态区域3的形状可以是圆形(如图4a)、椭圆形(如图4b)、四边形(如图4c)、环形(如图4d)、三角形(如图4e)或其它任意封闭图形(如图4f)。在加工双稳态区域3的过程中，为了得到所需形状，采用与所需形状相同形状的模具将金属板的非处理区域进行覆盖，采用表面机械研磨处理技术对未覆盖区域进行处理，即可得到所需形状的双稳态区域3，金属板上双稳态区域3的数量和位置可根据实际需要来设计。另外，多稳态板1的形状也可以根据实际需要设计成四边形(如图5a)、圆形(如图5b)、三角形(如图5c)或其它任意形状(如图5d)。
55.在一些实施例中，如图6a、图6b所示，收集器还包括连接杆6，连接杆6的一端与双稳态区域3连接，连接杆6的另一端与振动源7连接，双稳态区域3通过连接杆6以大致垂直于
振动源7的振动方向8的方式与振动源7连接，以使振动源7产生的振动能量有效传递至多稳态板1，安装简单方便。例如，连接杆6大致垂直于双稳态区域3且平行于振动源7的振动方向8。
56.为了便于连接双稳态区域3和连接杆6，可以在双稳态区域3内的任意位置打孔得到通孔5，连接杆6穿过通孔5，将通孔5设于双稳态区域3的圆心处更有利于振动能量的传递。当多稳态板1的形状为中心对称形状，比如正方形或圆形，双稳态区域3的形状为圆形时，尤其适合采用本实施例的连接方式来连接双稳态区域3和振动源7。
57.在另一些实施例中，如图7a、图7b所示，收集器还包括夹具10，夹具10具有两个夹持端，夹具10的一个夹持端与多稳态板1的一端9连接，夹具10的另一个夹持端与振动源7连接，多稳态板1通过夹具10以大致垂直于振动源7的振动方向8的方式与振动源7连接，以使振动源7产生的振动能量有效传递至多稳态板1，安装简单方便。当多稳态板1为矩形或其它长条形状时，夹具10的一个夹持端将多稳态板1在长度方向上的两端中的一端连接。
58.在一些实施例中，振动能量收集器还包括振动频率可变的振动源7，振动源7与多稳态板1连接，以便于对多稳态板1施加振动能量。
59.在一些实施例中，单个压电元件2可以是单个压电片体；或者，单个压电元件2可以由多个压电片体串联或并联形成(如图1所示)。
60.在一些实施例中，如图8所示，至少一个双稳态区域3的表面设有压电元件22；且/或，多稳态板1上位于双稳态区域3之外的其它区域(即图2和图3中的未处理区域4)的表面设有压电元件21。
61.由于双稳态区域3在形态切换时变形幅度较大，未处理区域4在形态变换时变形幅度较小，因此双稳态区域3表面的压电元件22可以采用变形能力较大的压电材料，比如压电聚合物(pvdf)，而未处理区域4表面的压电元件21则可以采用变形能力较小的压电材料，比如压电陶瓷或压电晶体，当然，未处理区域4表面的压电元件21也可以采用变形能力较大的压电材料。因此本技术适用不同变形能力的压电元件。
62.在一些实施例中，压电元件2的表面与多稳态板1的表面相贴合固定，压电元件2可以通过粘贴的方式固定在多稳态板1的表面，具体粘贴方法可以是局部粘接，也可以是整体粘接。但本技术并不以此为限，压电元件2还可以通过其它方式与多稳态板1连接，比如可拆卸连接方式。
63.第二方面的实施例
64.如图10所示，本技术第二方面的实施例提供一种蓄电器200，蓄电器200包括蓄电元件30和第一方面实施例所述的振动能量收集器100，蓄电元件30与振动能量收集器100的压电元件2电连接，压电元件2产生的电能可以直接存储到蓄电元件30，例如蓄电元件30为蓄电池。
65.由于在第一方面的实施例中，已经对该振动能量收集器100的结构和效果进行了详细说明，其内容被合并于此，此处省略说明。
66.第三方面的实施例
67.如图11所示，本技术第三方面的实施例提供一种供电器300，供电器300包括第一方面实施例所述的振动能量收集器100和输电电路40，输电电路40与振动能量收集器100的压电元件2电连接，用于将压电元件2产生的电能供应给负载50，实现直接向负载50供电。例
如负载50为传感器等小型电子器件。
68.由于在第一方面的实施例中，已经对该振动能量收集器100的结构和效果进行了详细说明，其内容被合并于此，此处省略说明。
69.在一些实施例中，输电电路40包括依次电连接的整流器41、超级电容42和调压装置43，整流器41与振动能量收集器100的压电元件2电连接，压电元件2产生的电能通过整流器41转换为直流电后存储到超级电容42，再经过调压装置43调压后供给负载50。以上参照附图描述了本技术的优选实施方式。这些实施方式的许多特征和优点根据该详细的说明书是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施方式的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本技术的实施方式限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。