本發(fā)明涉及一種能量回收裝置，尤其涉及一種用于管道振動(dòng)能量收集的壓電能量回收裝置。

背景技術(shù)：

隨著MEMS技術(shù)以及無(wú)線傳感技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)被廣泛用于各種建筑，橋梁，管道，交通，甚至動(dòng)物的狀態(tài)監(jiān)控。然而對(duì)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)供能的方式依然采用傳統(tǒng)電池供電。這大大提高了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)成本。在一些特殊的情況，如地下等，更是對(duì)維護(hù)提出了較高的挑戰(zhàn)。振動(dòng)能是一種目前研究較多的環(huán)境能，具有較高的能量效率。而太陽(yáng)能雖然具有更高的能量效率，但是其易受天氣影響造成能量收集的不穩(wěn)定。振動(dòng)能的收集以壓電能量轉(zhuǎn)換方案相對(duì)成熟。專利201320485532.X提出了一種利用機(jī)械振動(dòng)能為單片機(jī)供電的方案，但是其電路效率較低，僅能收集機(jī)械設(shè)備的單方向，頻率固定振動(dòng)。專利201420470055.4提出了一種壓電式，電磁式復(fù)合的能量回收方案，能夠適應(yīng)多種場(chǎng)合，但是其能量回收電路的效率是比較低的。沈輝，裴進(jìn)浩在文獻(xiàn)“Enhanced Synchronized Switch Harvesting (ESSH): A New Energy Harvesting Scheme for Efficient Energy Extraction”中提出了一種名為ESSH的能量收集電路，實(shí)驗(yàn)證明其是一種效率數(shù)倍于經(jīng)典能量回收電路的高效電路。在各機(jī)構(gòu)的研究中少有對(duì)方向不確定振動(dòng)的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于管道振動(dòng)能量收集的壓電能量回收裝置，該用于管道振動(dòng)能量收集的壓電能量回收裝置解決了現(xiàn)有解決方案難以收集不同方向的振動(dòng)能、單懸臂梁裝置頻率響應(yīng)較差、能量回收效率低、裝置需要附加電源供電的問(wèn)題，本裝置能夠收集來(lái)自多方向的振動(dòng)能并將能量?jī)?chǔ)存在充電電池中。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的一種用于管道振動(dòng)能量收集的壓電能量回收裝置包括能量收集模型、能量回收電路、控制電路、儲(chǔ)能電路；所述能量收集模型包括固定于管道外壁的環(huán)狀固定結(jié)構(gòu)，均勻?qū)ΨQ分布在環(huán)狀固定結(jié)構(gòu)上的若干個(gè)懸臂梁組，每個(gè)懸臂梁組包括左右對(duì)稱的若干個(gè)質(zhì)量參數(shù)不同的懸臂梁，每個(gè)懸臂梁上均覆貼有壓電元件A、壓電元件B，所述能量回收電路包括電感L1、數(shù)字開(kāi)關(guān)S1、整流橋D1、數(shù)字開(kāi)關(guān)S2、電容C1、電容C2，所述控制電路包括峰值傳感電路、能量門限電路，所述儲(chǔ)能電路包括全橋整流電路、電源芯片、儲(chǔ)能電池，每個(gè)壓電元件A分別接入能量回收電路，電感L1的一端連接壓電元件A的一端，電感L1的另一端連接數(shù)字開(kāi)關(guān)S1的一端，數(shù)字開(kāi)關(guān)S1的另一端連接整流橋D1的第一輸入端，整流橋的第二輸入端連接壓電元件A的另一端，整流橋D1的第一輸出端分別連接電容C1的一端、數(shù)字開(kāi)關(guān)S2一端，整流橋D1的第二輸出端分別連接電容C1的另一端、電容C2的另一端，電容C2與儲(chǔ)能電路連接，電容C2的一端分別與全橋整流電路的一端、電源芯片的一端、儲(chǔ)能電池的一端連接，電容C2的另一端分別與全橋整流電路的另一端、電源芯片的另一端、儲(chǔ)能電池的另一端連接并接地，每個(gè)壓電元件B分別連接峰值傳感電路的輸入端，峰值傳感電路的輸出端與數(shù)字開(kāi)關(guān)S1連接，壓電元件B、峰值傳感電路、能量門限電路均接地，數(shù)字開(kāi)關(guān)S2與能量門限電路輸出端相連。

所述懸臂梁組的個(gè)數(shù)為8個(gè)。

所述每個(gè)懸臂梁組包括左右對(duì)稱設(shè)置的8個(gè)懸臂梁。

所述壓電元件A、壓電元件B材料均采用聚偏二氟乙烯。

采用這種用于管道振動(dòng)能量收集的壓電能量回收裝置，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、能有效將管道振動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能儲(chǔ)存，用于無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)供電，解決了傳統(tǒng)電池更換成本高的問(wèn)題。

2、使用懸臂梁組，拓寬了能量收集頻率范圍，在較大頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)都能有效收集。

3、同一組的懸臂梁質(zhì)量塊各不相同，保證在較寬頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)都能有效收集其能量，各組懸臂梁均勻分布在環(huán)形結(jié)構(gòu)周圍，保證了不同方向的振動(dòng)能均能有效回收。

4、儲(chǔ)能電路連接在能量回收電路之后，針對(duì)各壓電元件輸出電流相位不同的問(wèn)題，運(yùn)用全橋整流法電路解決了相位不同引起的電荷抵消問(wèn)題，可以通過(guò)電源芯片將電能儲(chǔ)存至充電電池中。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明的原理圖。

圖2是本發(fā)明中能量采集前端模型側(cè)視圖。

圖3是本發(fā)明中懸臂梁組結(jié)構(gòu)示意圖。

其中有：1. 環(huán)裝固定結(jié)構(gòu)；2. 懸臂梁組；3. 懸臂梁。

具體實(shí)施方式

圖1、2、3所示一種用于管道振動(dòng)能量收集的壓電能量回收裝置，包括能量收集模型、能量回收電路、控制電路、儲(chǔ)能電路；所述能量收集模型包括固定于管道外壁的環(huán)狀固定結(jié)構(gòu)，均勻?qū)ΨQ分布在環(huán)狀固定結(jié)構(gòu)上的若干個(gè)懸臂梁組，每個(gè)懸臂梁組包括左右對(duì)稱的若干個(gè)質(zhì)量參數(shù)不同的懸臂梁，每個(gè)懸臂梁上均覆貼有壓電元件A、壓電元件B，所述能量回收電路包括電感L1、數(shù)字開(kāi)關(guān)S1、整流橋D1、數(shù)字開(kāi)關(guān)S2、電容C1、電容C2，所述控制電路包括峰值傳感電路、能量門限電路，所述儲(chǔ)能電路包括全橋整流電路、電源芯片、儲(chǔ)能電池，每個(gè)壓電元件A分別接入能量回收電路，電感L1的一端連接壓電元件A的一端，電感L1的另一端連接數(shù)字開(kāi)關(guān)S1的一端，數(shù)字開(kāi)關(guān)S1的另一端連接整流橋D1的第一輸入端，整流橋的第二輸入端連接壓電元件A的另一端，整流橋D1的第一輸出端分別連接電容C1的一端、數(shù)字開(kāi)關(guān)S2一端，整流橋D1的第二輸出端分別連接電容C1的另一端、電容C2的另一端，電容C2與儲(chǔ)能電路連接，電容C2的一端分別與全橋整流電路的一端、電源芯片的一端、儲(chǔ)能電池的一端連接，電容C2的另一端分別與全橋整流電路的另一端、電源芯片的另一端、儲(chǔ)能電池的另一端連接并接地，每個(gè)壓電元件B分別連接峰值傳感電路的輸入端，峰值傳感電路的輸出端與數(shù)字開(kāi)關(guān)S1連接，壓電元件B、峰值傳感電路、能量門限電路均接地，數(shù)字開(kāi)關(guān)S2與能量門限電路輸出端相連。

所述懸臂梁組的個(gè)數(shù)為8個(gè)。

所述每個(gè)懸臂梁組包括左右對(duì)稱設(shè)置的8個(gè)懸臂梁。

所述壓電元件A、壓電元件B材料均采用聚偏二氟乙烯。

壓電能量收集部分由貼于懸臂梁表面的壓電元件A組成。壓電元件A、壓電元件B材料使用聚偏二氟乙烯。聚偏二氟乙烯材料具有柔韌性強(qiáng)，強(qiáng)度高，耐腐蝕，頻率響應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。是實(shí)用性很好的壓電能量轉(zhuǎn)換材料。聚偏二氟乙烯連接能量回收電路。

壓電元件A，控制電路，能量回收電路與儲(chǔ)能電路完成能量回收過(guò)程。在懸臂梁振動(dòng)時(shí)，壓電元件A由振動(dòng)產(chǎn)生壓電效應(yīng)向后級(jí)能量回收電路傳輸電荷，壓電元件A起到傳遞能量的作用。峰值傳感電路利用另一壓電元件B，同樣利用壓電效應(yīng)感應(yīng)懸臂梁位移的極值。在懸臂梁位移達(dá)到極大值時(shí)，控制電路控制數(shù)字開(kāi)關(guān)S1閉合，壓電元件A此時(shí)等效為電容，因此在電路中形成LC高頻振蕩?？刂齐娐吩贚C振蕩半周期后打開(kāi)數(shù)字開(kāi)關(guān)S1。控制電路的另一部分是能量門限電路，通過(guò)電容C1的電荷累積值（表現(xiàn)為電容C1兩端電壓）是否達(dá)到預(yù)設(shè)門限控制數(shù)字開(kāi)關(guān)S2的開(kāi)閉。具體的，在電容C1上電壓達(dá)到高設(shè)定值時(shí)閉合數(shù)字開(kāi)關(guān)S2，將電容C1上的電荷轉(zhuǎn)移到電容C2。在電容C1上電壓降低到低設(shè)定值時(shí)，控制電路再次打開(kāi)數(shù)字開(kāi)關(guān)S2。電容C2上的電能通過(guò)電源芯片處理后儲(chǔ)存到充電電池中，達(dá)到整套裝置自供電的效果。值得注意的是，壓電元件A與B必須單獨(dú)設(shè)立，不可合并，其原因是，壓電元件A與壓電元件B在能量回收電路沒(méi)有開(kāi)始回收電荷時(shí)的電壓信號(hào)是同步的，但當(dāng)能量回收電路工作時(shí)，壓電元件A的電荷進(jìn)入后級(jí)電路，此時(shí)電壓信號(hào)與振動(dòng)并不同步，而能量回收電路的工作需要精確監(jiān)控振動(dòng)的極大值，因此需要額外增加壓電元件B，起到對(duì)能量回收電路的控制作用。

ESSH技術(shù)的引入使能量回收電路的效率達(dá)到經(jīng)典回收電路的4倍左右。同時(shí)也具有效率隨負(fù)載變化不大的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得控制電路功耗僅為0.201mW。同時(shí)，對(duì)不同強(qiáng)度的振動(dòng)都能做到高效率回收能量。

由于裝置采用數(shù)量較多的懸臂梁，且各懸臂梁獨(dú)立，相應(yīng)輸出電流相位各不相同。如果不經(jīng)過(guò)處理，會(huì)造成電荷抵消的問(wèn)題。所以采用全橋整流電路將來(lái)自能量回收電路的不同相位的電流統(tǒng)一相位后儲(chǔ)存入充電電池。圖1僅表示了單個(gè)懸臂梁的能量回收原理。由于各懸臂梁獲得的交流電相互獨(dú)立，需要通過(guò)全橋整流，使能量不抵消地儲(chǔ)存到儲(chǔ)能電池中。全橋整流電路是一個(gè)多輸入單輸出的電路，本裝置將每一個(gè)懸臂梁的交流輸出（即電容C2的兩端）分別接入全橋整流電路輸入端從而實(shí)現(xiàn)交流電能累積過(guò)程。

本申請(qǐng)中沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明的技術(shù)特征為現(xiàn)有技術(shù)。上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本申請(qǐng)的原理及其功效，而非用于限制本申請(qǐng)。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本申請(qǐng)的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本申請(qǐng)所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本申請(qǐng)的權(quán)利要求所涵蓋。