CN102217185A

CN102217185A - 能量采集器

Info

Publication number: CN102217185A
Application number: CN2009801460461A
Authority: CN
Inventors: A··S··M··穆克蒂·乌兹·扎曼; 马苏里·奥斯曼; 穆罕默德·沙哈里啊·布扬; 阿古斯·桑托索·塔姆赛尔; 苏拉娅·苏莱曼
Original assignee: Mimos Bhd
Current assignee: Mimos Bhd
Priority date: 2008-09-18
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2029-09-10
Also published as: US20130057111A1; MY146160A; WO2010033012A3; WO2010033012A2; EP2335346A4; US8987973B2; CN102217185B; EP2335346B1; EP2335346A2

Abstract

一种能量采集器(100)，包括：底座(110)；安装在底座(110)上的一个或多个第一弹性装置(120)；中空腔室(130)，所述中空腔室(130)具有安装点(131)，该安装点在以中空腔室(130)的质量中心与第一弹性装置(120)在垂直轴上对齐的这种方式的静力平衡下可枢转地连接到第一弹性装置(120)；中空腔室(140)，被封入中空腔室(130)内，在中空腔室(140)的质量中心与第二弹性装置(150)在垂直轴上对齐的静力平衡下，与从安装点(131)延伸的一个或多个第二弹性装置(150)连接；多个压电材料组成的悬臂(160)，所述悬臂(160)安装在中空腔室(140)上并且在垂直平面上以预定的间隙相互远离，压电材料组成的悬臂在长度和/或重力中心上变化；主存储器(170)，所述主存储器(170)与中空腔室(130)、中空腔室(140)和多个压电材料组成的悬臂(160)相连，用于通过集成电路存储所采集的能量；其中通过多个压电材料组成的悬臂(160)的振动、中空腔室(130)和中空腔室(140)在施加动力下的往复运动来采集能量。

Description

能量采集器

技术领域

本发明涉及能量采集器。特别地，所公开的发明可以通过来自周围环境以及例如太阳能、无线电频率、热等的其它能量源的机械振动力来采集能量。

背景技术

随着远程和无线传感器网络的发展，当所连接的电池电源耗尽时，连续的电源变成设备寿命的限制因素。例如，在精确农业中，传感器通常设置在远距离种植中并且由具有有限容量和寿命的电池加电以便给传感器供电。因此，为了自给式传感器和处理电路获得真正的独立性，需要可更新的板上电源。从该设备中消除可消耗电池所使用的一种方式是通过从持续来源中连续采集能量。能量采集是这样一种过程，通过该过程捕获能量并且进行存储，还称为功率采集或能量提取。这种方法对于例如那些使用在传感器网络中的小型独立装置特别有用，从而使得它们可便携并且需要很少的功率。但是，涉及单一来源的能量采集通常不足以完全或连续地为电子系统供电。因此，希望具有一种混合能量采集系统以从不同的持久来源中获取能量。

世界范围的专利申请2007070022要求保护一种环境能量采集系统，其包括磁通量产生组件，与磁通量产生组件相邻设置的线圈，以及悬臂，振动可使悬臂在磁通量组件和线圈之间相对移动从而在线圈中产生电流。

Mitchell等在美国专利公开2008092937中提供了一种采集能量装置。所要求保护的装置包括紧固装置，与紧固装置接合的第一导热元件，设置成与第一导热元件热接触的热电装置，设置成与第一导热元件热接触的热电装置，以及设置成与热电装置热接触的第二导热元件。

而且，在美国专利申请2008100180中，一种装置可以通过较小的振动幅度在宽的频率带上采集能量。所公开的装置包括梁，该梁包括电响应材料并且具有用于将梁连接到经历振动的外部结构的固定结构；力偏置元件，与梁相邻设置；支撑结构，用于将每个梁和偏置元件接合以提供压缩力，其中梁适合于响应外部结构的振动而弯曲以产生电信号。

发明内容

本发明旨在提供一种能量采集器，其可以从周围环境中连续采集能量。然后，该采集到的能量随后可以用于给电子设备供电。

本发明的另一个目的是公开了一种能量采集器，其可以从一个以上的来源中采集能量。特别是，能量采集器可以优选从动能、太阳能、热能或者甚至无线电频率中获取能量，以便获得足够的能量为电子设备加电。

本发明的又一个目的是通过与所公开的能量采集器连接以获得足够的工作电力来实现远距离的电子设备的完全独立。

通过本发明上述至少一个目的全部或部分被满足，其中本发明的实施例之一是一种能量采集装置100，包括：底座110；安装在底座110上的一个或多个第一弹性装置120；中空腔室130，所述中空腔室130具有安装点131，该安装点在以中空腔室130的质量中心与第一弹性装置120在垂直轴上对齐的这种方式的静力平衡下可枢转地连接到第一弹性装置120；中空腔室140，所述中空腔室140被封入中空腔室130内，在中空腔室140的质量中心与第二弹性装置150在垂直轴上对齐的静力平衡下，与从安装点131延伸的一个或多个第二弹性装置150连接；多个压电材料组成的悬臂160，安装在中空腔室140上并且在垂直平面上以预定的间隙相互远离，压电材料组成的悬臂在长度和/或重力中心上变化；主存储器170，与中空腔室130、中空腔室140和多个压电材料组成的悬臂160相连，用于通过集成电路存储所采集的能量；其中通过多个压电材料组成的悬臂160的振动、中空腔室130和中空腔室140在施加动力下的往复运动来采集能量。

为了从其它可利用的来源中采集能量，本发明的另一个优选实施例包括光伏电池180，其附着在中空腔室130的表面上以便采集太阳能并且与集成电路相连以便将所采集的能量存储到主存储器170中。随后，优选中空腔室130由透明材料制成，因此允许太阳功率进入中空腔室中，到达其内所含的太阳能电池。

类似地，在另一个实施例中，一种用于采集热能的装置190与集成电路相连以便将所采集的能量存储到主存储器170中。特别地，该用于采集热能的装置190是一个或多个伸长的部件，其通过直接接触两个不同的导电材料并且使这两个不同的导电材料分别经受着不同的温度而形成，从而采集能量。

在本发明的其它方面，无线电频率采集装置200可以附着到中空腔室140上，用于采集无线电频率能量并且与集成电路连接以便将所采集的能量存储在主存储器170中。类似地，无线电频率采集装置200可以在中空腔室140的表面上制成，用于采集无线电频率能量并且与集成电路连接以便将所采集的能量存储在主存储器170中。

为了优化所采集的能量的领域，在一个实施例中，多个压电材料组成的悬臂160的尖部161具有检验块162，其在悬臂160上感应出较大的振动，因此能量被采集。

为了将能量采集器的尺寸最小化成微型机电系统，主存储器170与底座110集成到一起，在能量采集系统中形成单个单元。优选地，主存储器170包括电容和/或超级电容以便通过所采集的能量充电。而且，本发明还包括第二级存储器210，优选为充电电池，以便从主存储器中接收所采集的能量并将所采集的能量以电化学形式存储。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的立体图；

图2是与无线电频率接收器集成到一起的图1所示的实施例的立体图；

图3是悬臂的放大视图；

图4示出了用于一个实施例中的电子收集器，其用于收集通过采集能量而产生的电子；

图5示出了无线电频率能量采集天线的透立体图；

图6示出了无线电频率能量采集天线的截面视图；以及

图7示出了本发明的一个实施例的方框图。

具体实施方式

可以理解，本发明可以具体化为其他特定形式并且不限于这里所描述的单独实施例。但是，所公开的概念的变形和等同物，例如对于本领域技术人员而言是容易发生的那些，包含在所附权利要求的范围内。

本发明涉及一种能量采集器100，包括底座110；安装在底座110上的一个或多个第一弹性装置120；中空腔室130，所述中空腔室130具有安装点131，该安装点131在以中空腔室130的质量中心与第一弹性装置120在垂直轴上对齐的方式的静力平衡下可枢转地连接到第一弹性装置120；中空腔室140，所述中空腔室140被封入中空腔室130内，在中空腔室140的质量中心与第二弹性装置150在垂直轴上对齐的静力平衡下，与从安装点131延伸的一个或多个第二弹性装置150连接；多个压电材料组成的悬臂160，所述悬臂160安装在中空腔室140上并且在垂直平面上以预定的间隙相互远离，压电材料组成的悬臂在长度和/或重力中心上变化；主存储器170，所述主存储器170通过集成电路与中空腔室130、中空腔室140和多个压电材料组成的悬臂160相连，用于存储所采集的能量；其中通过在近似共振频率下多个压电材料组成的悬臂160的振动、中空腔室130和中空腔室140在施加动力下的往复运动来采集能量。

参考图1，本发明的中空腔室130是棱镜形状。但是，本发明的意图不是排除应用于中空腔室130的其他可能的形式或形状，例如矩形、锥形、三角形、多边形、圆形等等。这里着重注意的是，中空腔室130优选具有一种形状，当没有外力施加时，在不存在当中空腔室140安装到第一弹性装置120时由于中空腔室130的质量分配不平衡而导致第一弹性装置120弯曲到一侧的情况下，该形状允许中空腔室130在整个静力平衡下安装在第一弹性装置120上。特别的，在静力平衡状态下，本发明的中空腔室130的质量中心在垂直轴上被单独支撑或负担在第一弹性装置120上，这意味着中空腔室130的质量中心在垂直轴上与第一弹性装置120对齐，正如图1所示的实施例。而且，一旦施加外力，第一弹性装置120的弹性允许中空腔室130在第一弹性装置120上往复运动，因此往复运动产生可被存储的能量。为了将动能转化为将可存储的电能，但不限于此，螺线管MEMS致动器可以应用在本优选实施例中。而且优选地，如图1所示，中空腔室130的大多数质量远离安装点131或者第一弹性装置120分布，因此甚至在施加最轻的动力时，也增加了所公开的能量采集器的灵敏度或者提高了中空腔室130的往复运动。例如，取代在它的底座上安装立方形中空腔室130，优选地，在本发明中，立方形中空腔室以一个角部或尖部对角地安装在第一弹性装置120上以便提高中空腔室130的往复运动。

在另一个实施例中，其中当安装到第一弹性装置120上时中空腔室的质量没有均匀分布，中空腔室仍有可能具有与第一弹性装置120对齐的质量中心，只要第一弹性装置120是机械上坚硬的以便抵消质量所引起的力。尽管在这些实施例中，中空腔室倾向于向前摆动到一侧而不是另一侧，但是动能仍能被采集。

类似地，在优选实施例中，本发明的中空腔室140可以采用不同的可能形式或形状，只要当没有外力施加到其上时能与第二弹性装置150建立静力平衡。尽管被封入中空腔室130内，但是在静止状态下或者在往复运动过程中在中空腔室140和中空腔室130之间不存在物理接触。中空腔室140在第一弹性装置120和中空腔室130的振动受环境因素的限制的情况下用作动能第二级采集器。当作为中空腔室130提出时，中空腔室140的质量优选远离与第二弹性装置150连接的点分布以便提高对周围可采集的动力的灵敏度。在图1中，实施例中的一个为中空腔室140采用倒置三角形。

最优选的实施例中，本发明的第一弹性装置120和第二弹性装置150是弹簧等等。依靠中空腔室140和中空腔室130各自的质量和尺寸、制作材料、持续能力、弹性力，弹簧的偏角可以从一个实施例到另一个实施例变化。例如，中空腔室140和中空腔室130的质量和尺寸可以以大尺寸制造以便采集较多的能量，而且可以小型化以适合例如无线传感器之类的MEMS的微型尺寸。

为了从太阳光照射或其他光源中采集太阳能，中空腔室全部或部分由透明材料制成以使光线进入。透明材料可以是玻璃或者塑料材料，例如丙烯酸和聚碳酸酯。优选地，使用塑料材料，由于其比玻璃具有较好的抗张强度，对所施加的力显示出较大的抵抗力。在仅有部分中空腔室用透明材料制造的实施例中，这些部分的位置将会设置在太阳光照射最佳的地方，例如图1和2所示的实施例的顶部表面。

如前所述，本发明的目的也在于从光源采集能量。同样的，在优选实施例中，光伏电池180层附着在中空腔室130的表面以采集电磁能，优选为太阳能，并且与集成电路连接以便将所采集能量存储到主存储器170中。特别地，光伏电池180优选被封入中空腔室130中而且如果设置在中空腔室130的外部则保护其不受意外的物理损坏。为了最佳获取，光伏电池层被设置或者安装在其可以尽可能多地被暴露在电磁辐射中的区域。例如，在图1和图2所示的实施例的顶部表面。

另一个实施例，所公开的能量采集器与一种用于采集热能的装置190集成到一起，该用于采集热能的装置与集成电路连接以将所采集的能量存储到主存储器170中。基本上，本发明中的用于采集热能的装置190基于塞贝克效应被制造并达到其功能。优选地，采集热能的装置190是一个或多个伸长的部件，其通过直接接触两个不同的导电材料并且使这两个不同的导电材料分别经受着不同的温度而形成，从而采集能量。更特别的是，当两个不同的导电材料放置在一起且在某一点相互接触但是分别经受着两个不同的温度时，电流就会产生。在本发明中，其中一个导电材料优选放置在中空腔室130外部，而另一个放置在中空腔室中。当由于在中空腔室130内部缺乏空气流动而导致中空腔室130内的温度比外部温度高出很多时，这种设计尤为有用。无论如何，采集热能的装置190与集成电路连接以便将所产生的电流导入主存储器170中。

在一个实施例中，无线电频率采集装置200被制造在中空腔室140的表面上，用于采集无线电频率能量，并且与集成电路连接以便将所采集的能量存储在主存储器170中。对于另一个可选择的实施例，无线电频率采集装置200连接到中空腔室130上用于采集无线电频率并且与集成电路连接以便将所采集的能量存储在主存储器170中。优选地，当中空腔室130的顶部表面安装光伏电池180时，无线电频率采集装置200附着到中空腔室130的侧面。按照一个优选实施例，无线电频率采集装置200在图5和6中示出。参考图6，所示的无线电频率采集装置包括通过绝缘体203远离接地材料205设置的天线202，绝缘体203由保护罩201层覆盖。空隙空间204设置在保护层和天线之间。而且，天线202和接地材料都连接到用于产生电的电路上。

需要注意的是这样一个事实，即由于一旦对压电材料施加机械力压电材料就可以产生电势，所以在中空腔室上建立的悬臂能够将动能转换为电流。为了采集电势，优选采用互成角度设置的电极作为电势收集器以便将所产生的电导入主存储器中。在本发明中，一旦中空腔室140运动，悬臂将会振到。本发明人发现，位于多个压电材料组成的悬臂160的尖部161上的检测块162能够增加振动级并因此能够增加所采集的能量。而且，众所周知，悬臂会在其共振频率下发生较大的振动。因此检测块能够沿悬臂的长度堆积以改变或调整它的共振频率。在最优选的实施例中，改变本发明中的悬臂以便使每一个悬臂具有不同的共振频率从而在频率的整个范围内检测和振动。可能的是，每个悬臂的共振频率能够通过以图3所示的不同长度制造悬臂而得到改变。

根据另一个实施例，主存储器170与底座110集成在一起形成单独一个单元以便降低尺寸或者最小化所公开的能量采集器。因此，允许所公开的发明适用于MEMS的应用。

在本发明中的又一个实施例优选具有主存储器170，其包括电容和/或超级电容。所采集的能量以电势的形式存储。而且，第二级存储器210加入到随后的实施例中以便从主存储器接收所采集的能量并且存储所采集的能量。特别的，第二级存储器以可充电电池的形式准备。一旦主存储器中的电势超过它的的最大容量，则能量将被排出到可充电电池中。从那里，来自可充电电池的电用于对任意所连接的仪器例如无线传感器加电。

本发明公开的内容包括在所附的权利要求中所含的内容，也包括前面描述的内容。尽管本发明以其优选形式在某一特定的程度上被予以描述，但是可以理解，优选形式的公开内容仅用于示例并且在不脱离本发明范围的情况下可以采取对结构的细节和部分之间的结合和配置的各种改变。

Claims

1.一种能量采集器(100)，包括：

底座(110)；

安装在底座(110)上的一个或多个第一弹性装置(120)；

中空腔室(130)，所述中空腔室(130)具有安装点(131)，该安装点在以中空腔室(130)的质量中心与第一弹性装置(120)在垂直轴上对齐的这种方式的静力平衡下可枢转地连接到第一弹性装置(120)；

中空腔室(140)，所述中空腔室(140)被封入中空腔室(130)内，在中空腔室(140)的质量中心与第二弹性装置(150)在垂直轴上对齐的静力平衡下，所述中空腔室(140)与从安装点(131)延伸的一个或多个第二弹性装置(150)连接；

多个压电材料组成的悬臂(160)，所述悬臂(160)安装在中空腔室(140)上并且在垂直平面上以预定的间隙相互远离，压电材料组成的悬臂在长度和/或重力中心上变化；

主存储器(170)，所述主存储器(170)与中空腔室(130)、中空腔室(140)和多个压电材料组成的悬臂(160)相连，用于通过集成电路存储所采集的能量；

其中通过多个压电材料组成的悬臂(160)的振动、中空腔室(130)和中空腔室(140)在施加动力下的往复运动来采集能量。

2.根据权利要求1的能量采集装置(100)，其特征在于，所述中空腔室(130)由透明材料制成。

3.根据权利要求1或2的能量采集装置(100)，还包括光伏电池(180)，其附着在中空腔室(130)的表面上以采集太阳能并且与集成电路相连以将所采集的能量存储到主存储器(170)中。

4.根据权利要求1到3的能量采集装置(100)，还包括一种用于采集热能的装置(190)，其与集成电路相连以将所采集的能量存储到主存储器(170)中。

5.根据权利要求4的能量采集装置(100)，其特征在于，用于采集热能的装置(190)是一个或多个伸长的部件，其通过直接接触两个不同的导电材料并且使这两个不同的导电材料分别经受不同的温度而形成，从而采集能量。

6.根据权利要求1到4的能量采集装置(100)，还包括无线电频率采集装置(200)，其附着到中空腔室(140)上，用于采集无线电频率能量并且与集成电路连接以将所采集的能量存储在主存储器(170)中。

7.根据权利要求1到4的能量采集装置(100)，还包括无线电频率采集装置(200)，其在中空腔室(140)的表面上制成，用于采集无线电频率能量并且与集成电路连接以将所采集的能量存储在主存储器(170)中。

8.根据权利要求1到7的能量采集装置(100)，其特征在于，多个压电材料组成的悬臂(160)的尖部(161)具有检验块(162)。

9.根据权利要求1到8的能量采集装置(100)，其特征在于，所述主存储器(170)与所述底座(110)集成到一起。

10.根据权利要求1到8的能量采集装置(100)，其特征在于，所述主存储器(170)包括电容和/或超级电容。

11.根据权利要求1到8的能量采集装置(100)，还包括第二级存储器(210)以从主存储器中接收所采集的能量并存储所采集的能量。