一种基于六边悬臂体阵列组装的层状风能和振动能量采集装置

本发明属于自然能量采集，尤其涉及一种基于六边悬臂体阵列组装的层状风能和振动能量采集装置。

背景技术：

1、在当今这个技术日新月异的时代，集成电路制造工艺的飞速进步如同催化剂，催生了低功耗微型电子产品的蓬勃兴起，且遍布各行各业。但在一些特殊领域，如人体健康监测、军事安全应用及野战追踪等，电源问题却成了微电子器件广泛应用的绊脚石——体积庞大、寿命有限且可能带来环境污染。为了突破这一瓶颈，让传感器系统性能更强劲、寿命更长久，科学家们将目光转向了环境能量收集这片未被充分发掘的能源。一方面，机械振动能这一无处不在且潜力巨大的能源，通过静电、电磁或压电技术巧妙转化为电能，正逐渐成为解决之道。另一方面，风能采集作为一种清洁、可再生的能源利用方式，具有分布广泛、环境友好、技术多样和智能化发展等特点。那么将机械能与风能协同加以利用将有望为能源结构的优化升级和可持续发展目标的实现贡献力量。尤其是利用压电效应的风能和振动能量采集器，凭借其结构简单、成本低廉、绿色环保的特质，加之输出电压高、抗干扰能力强、易于集成的优势，犹如微缩的绿色发电站，为微电子器件的持续运行注入了源源不断的生命力。

2、近年来，环境能量采集器作为自然能量采集领域的重要分支，其多样化的设计和开发引起了学术界的广泛关注。传统的压电能量采集器，基于其振动特性，通常被归类为线性单自由度系统。这类器件因其结构简单、加工便捷而广受青睐。然而，在实际应用中，尤其是面对环境振动的随机性、间歇性和低频特性时，线性单自由度器件的局限性逐渐显现。由于其固有的工作带宽狭窄，这类器件在偏离共振条件下往往表现出较差的能量采集性能。为了克服这一挑战，研究者们开始探索多模态设计思路，旨在拓宽能量采集器的工作频率范围，提高其在复杂环境中的适应性。早期的研究尝试使用多个压电悬臂梁组成阵列，以期在更宽的频率范围内捕获振动能量。然而，这种方法存在一个显著的缺陷：在任意给定频率下，只有单个悬臂梁能有效贡献输出功率，其余悬臂梁则处于低效或无效状态。随着研究的深入，研究者们开始尝试更加复杂且高效的多模态结构。l型结构、双悬臂梁结构、截断结构以及多共振柔性能量采集结构等相继被提出。这些新型结构在一定程度上提高了工作频率带宽的性能，使得能量采集器能够在更宽的频率范围内保持较高的能量采集效率。然而，这些结构仍面临一些缺陷，如谐振频率的降低、模态的进一步拓宽以及能量采集效率的持续优化等。

3、为此，提出一种基于六边悬臂体阵列组装的层状风能和振动能量采集装置。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于六边悬臂体阵列组装的层状风能和振动能量采集装置。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于六边悬臂体阵列组装的层状风能和振动能量采集装置，包括：若干正六棱柱底座和若干圆柱底座，若干所述正六棱柱底座和所述圆柱底座上下交替排布，所述正六棱柱底座位置固定，所述圆柱底座可沿其中心轴转动；所述正六棱柱底座和所述圆柱底座侧面均固接有若干六边悬臂体，若干所述六边悬臂体之间电性连接。

3、根据本发明提供的一种基于六边悬臂体阵列组装的层状风能和振动能量采集装置，固接于所述正六棱柱底座侧面的所述六边悬臂体的六个边分别与水平面呈±0°、±60°和±120°的夹角。

4、根据本发明提供的一种基于六边悬臂体阵列组装的层状风能和振动能量采集装置，固接于所述圆柱底座侧面的所述六边悬臂体的六个边分别与水平面呈±30°、±90°和±150°的夹角。

5、根据本发明提供的一种基于六边悬臂体阵列组装的层状风能和振动能量采集装置，所述六边悬臂体包括六个基底层、六个压电层和一个质量块，六个所述基底层相互拼接形成内部中空的六棱柱体，六个所述压电层分别粘贴于六个所述基底层的外侧，所述质量块固接于六个所述基底层相互拼接形成的六棱柱体的自由端。

6、根据本发明提供的一种基于六边悬臂体阵列组装的层状风能和振动能量采集装置，所述压电层的长度和宽度可调节。

7、根据本发明提供的一种基于六边悬臂体阵列组装的层状风能和振动能量采集装置，所述正六棱柱底座或所述圆柱底座侧面的若干所述六边悬臂体的尺寸不同，并以逐渐增大或逐渐减小的方式排布。

8、根据本发明提供的一种基于六边悬臂体阵列组装的层状风能和振动能量采集装置，所述正六棱柱底座和所述圆柱底座中轴位置均贯穿设置有连接轴，所述连接轴与所述正六棱柱底座固接，所述连接轴与所述圆柱底座转动连接；所述连接轴底部开设有连接槽，所述连接轴顶部伸出所述正六棱柱底座或所述圆柱底座顶面固接有插杆，所述插杆与所述连接槽相匹配。

9、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

10、本发明采用正六棱柱底座和圆柱底座上下交替排布的分层连接方式，可同时采集风能和振动能量，同一时刻可获取多种能源，增大了能量采集密度。当把本发明放置于实际环境包括风能和振动能量体系中时，在外界的振动激励下，正六棱柱底座振动并带动其整个侧面的六边悬臂体一起振动，六边悬臂体通过在振动中发生形变将机械振动能转化为电能；在风能激励下，圆柱底座旋转并带动所有侧面的六边悬臂体变形，并将机械振动能转化为电能。这种能量转换方式基于压电效应，装置将多个六边悬臂体均匀阵列在正六棱柱底座和圆柱底座外的结构设计使得能量转换过程更加高效，能够将更多的机械能转化为电能输出。六边悬臂体不同方向的六个边振动可实现多维方向的振动能量采集，相比只能在单一方向或有限方向采集能量的装置，大大提高了能量采集效率，能更充分地利用环境中的风能和振动能。对不同方向和风能和振动能的捕获，保证了能量采集器输出的连续性，为微电子器件等提供更可靠的持续供电。

技术特征：

1.一种基于六边悬臂体阵列组装的层状风能和振动能量采集装置，其特征在于，包括：若干正六棱柱底座(1)和若干圆柱底座(2)，若干所述正六棱柱底座(1)和所述圆柱底座(2)上下交替排布，所述正六棱柱底座(1)位置固定，所述圆柱底座(2)可沿其中心轴转动；所述正六棱柱底座(1)和所述圆柱底座(2)侧面均固接有若干六边悬臂体(3)，若干所述六边悬臂体(3)之间电性连接。

2.根据权利要求1所述的基于六边悬臂体阵列组装的层状风能和振动能量采集装置，其特征在于：固接于所述正六棱柱底座(1)侧面的所述六边悬臂体(3)的六个边分别与水平面呈±0°、±60°和±120°的夹角。

3.根据权利要求1所述的基于六边悬臂体阵列组装的层状风能和振动能量采集装置，其特征在于：固接于所述圆柱底座(2)侧面的所述六边悬臂体(3)的六个边分别与水平面呈±30°、±90°和±150°的夹角。

4.根据权利要求1所述的基于六边悬臂体阵列组装的层状风能和振动能量采集装置，其特征在于：所述六边悬臂体(3)包括六个基底层(31)、六个压电层(32)和一个质量块(33)，六个所述基底层(31)相互拼接形成内部中空的六棱柱体，六个所述压电层(32)分别粘贴于六个所述基底层(31)的外侧，所述质量块(33)固接于六个所述基底层(31)相互拼接形成的六棱柱体的自由端。

5.根据权利要求4所述的基于六边悬臂体阵列组装的层状风能和振动能量采集装置，其特征在于：所述压电层(32)的长度和宽度可调节。

6.根据权利要求1所述的基于六边悬臂体阵列组装的层状风能和振动能量采集装置，其特征在于：所述正六棱柱底座(1)或所述圆柱底座(2)侧面的若干所述六边悬臂体(3)的尺寸不同，并以逐渐增大或逐渐减小的方式排布。

7.根据权利要求1所述的基于六边悬臂体阵列组装的层状风能和振动能量采集装置，其特征在于：所述正六棱柱底座(1)和所述圆柱底座(2)中轴位置均贯穿设置有连接轴(4)，所述连接轴(4)与所述正六棱柱底座(1)固接，所述连接轴(4)与所述圆柱底座(2)转动连接；所述连接轴(4)底部开设有连接槽，所述连接轴(4)顶部伸出所述正六棱柱底座(1)或所述圆柱底座(2)顶面固接有插杆，所述插杆与所述连接槽相匹配。

技术总结
本发明公开一种基于六边悬臂体阵列组装的层状风能和振动能量采集装置，属于自然能量采集技术领域，包括若干正六棱柱底座和若干圆柱底座，若干正六棱柱底座和圆柱底座上下交替排布，正六棱柱底座位置固定，圆柱底座可沿其中心轴转动；正六棱柱底座和圆柱底座侧面均固接有若干六边悬臂体，若干六边悬臂体之间电性连接。本发明可同时采集风能和振动能量，同一时刻可获取多种能源，增大了能量采集密度。六边悬臂体可实现多维方向的振动能量采集，提高了能量采集效率，能更充分地利用环境中的风能和振动能。对不同方向和风能和振动能的捕获，保证了能量采集器输出的连续性，为微电子器件等提供更可靠的持续供电。

技术研发人员：任丽芳,罗翠线,韩晓峰,白龙,梁正欣
受保护的技术使用者：山西财经大学
技术研发日：
技术公布日：2025/4/6