【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及能量采集，具体来说是一种层合热电-压电混合式能量采集器。
技术介绍
1、能源问题一直是全球关注的焦点，随着能源需求的不断增长和传统能源资源的日益枯竭，寻找可持续、高效的能源收集方式成为当代能源研究的重要课题。
2、热电效应和压电效应是两种常见的能量转换方式，它们分别利用温差和机械应变来实现能量的转化和收集。
3、热电材料的研究由来已久，长期以来由于该类材料的热电转换效率较低一直没有引起研究者的足够重视，直到20世纪末该类材料的zt值(效率优值)突破后才开始引发越来越多的关注。目前，热电材料在空间探索、余热回收、海洋温差发电和新概念制冷装置等领域已经有了广泛应用。在现实工程应用中，常常需要将热电薄膜贴于基底上从而构造成薄膜/基底层合结构。研究表明将热电材料制备成层合结构不仅可以提高结构的安全性还可以有效提高热电转换效率。例如文献1(y.yang,c.lei,c.-f.gao,and j.li,"asymptotichomogenization of three-dimensional thermoelectric composites,"journal of themechanics and physics ofsolids,vol.76,pp.98-126,2019/03/01/2019.)，文献2(y.yang,f.y.ma,c.h.lei,y.y.liu,and j.y.li,"nonlinear asymptotichomogenization and the effective be
4、近年来相关学者在研究压电俘能器所采用的压电材料同样有所研究。研究者们通过改变压电片基底层结构验证了压电材料的压电特性对悬臂梁振动的影响，例如文献3(kanj,zhangm,wangs,et al.a cantileveredpiezoelectric energy harvester excitedby an axiallypushed wedge cam using repulsive magnetsfor rotary motion[j].smartmaterials and structures,2021,30(6):065009)。研究者提出了一种新型的基于斥力磁体的轴向楔形凸轮激励的悬臂式压电能量采集器，它能够实现压电悬臂梁的单向项变形和有限振幅，因此采集器能在较宽的转速范围内保持相对稳定的输出电压。
5、然而，单一的热电转换或压电转换方式往往存在能量利用率低、结构复杂、成本高等问题。因此提供了一种能够高效综合利用废热和机械能的层合热电-压电混合式能量采集器很有必要。
技术实现思路
1、本专利技术克服现有技术不足，提供了一种能够高效综合利用废热和机械能的层合热电-压电混合式能量采集器。该装置通过热电转换单元和压电转换单元的集成化设计，实现了废热和环境风能的同时采集和转换，极大提高了能量收集效率。装置结构简洁、无需外加电源、自动化程度高且易于操作，展现出良好的应用前景。
2、为解决上述技术问题，本专利技术给出的方案是提供一种层合热电-压电混合式能量采集器，包括热电转换单元和压电转换单元，热电转换单元为层合热电转换单元，包括：
3、导热片，其自上而下沿水平方向设为多层，每两层导热片之间的间隙内沿水平方向设有多块与其连接的导电铜片，位于最底层的导热片与热源热交换，以使多层导热片自下而上形成热量递减；
4、热电材料，设为多个，且多个热电材料均沿水平方向间隔设在各间隙内，并与该间隙内的多块导电铜片连接，相邻的两块热电材料为p型半导体材料和n型半导体材料，各p型半导体材料和各n型半导体材料与一导电铜片组成一对p-n热电偶对，多个p-n热电偶对在间隙内形成电串联关系；
5、压电转换单元，包括：
6、基底层散热片，设置为多个，且多个基底层散热片沿竖向设置在最顶层导热片上，并与其连接；
7、压电片，设置多个，且各压电片设在各基底层散热片的两侧并与其紧密连接。
8、优选地，自下而上位于每个间隙内的多个热电材料的工作温度依次递减。
9、优选地，相邻两个间隙内分别与各导热片底部连接的导电铜片能够通过第一导线连接以及相邻两个间隙内分别与各导热片底部连接的导电铜片通过第二导线与负载电阻或用电器连接。
10、优选地，所述基底层散热片的顶部设有质量块。
11、优选地，所述导热片由高导热率的介电材料或半导体材料制成，所述导热片的表面设有绝缘层，所述绝缘层为硅胶。
12、优选地，所述导电铜片的厚度为0.005mm～0.1mm。
13、优选地，所述p型半导体材料为碲化铋、锑化铅或硒化铋中的任意一种，所述n型半导体材料为硫化锡、氮化铝或碲化铅中的任意一种。
14、优选地，所述压电片的厚度小于基底层散热片。
15、优选地，所述基底层散热片的材料可为铜铝合金，所述压电片的材料包括但不限于压电陶瓷、钛酸钡或锆钛酸铅中的一种。
16、优选地，所述基底层散热片与最顶层的导热片固定连接。
17、与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果是：
18、1.本专利技术通过设计热电转换单元结构，将层合思想应用到热电转换单元结构上，设计出层合热电转换单元。其中层合热电转换单元中所包含的热电材料可以是相同工作温度的热电材料也可以是工作温度自下而上依次递减的热电材料，层合热电转换单元能够充分利用热电材料的热电性能，最大化热电参数，从而提高整体的热电转换效率。层合热电层结构通过集成导热片、热电材料和导电铜片，实现了紧凑、高效的设计。这种集成化设计有助于减少装置的体积和重量，同时提高能量转换效率和装置的可靠性。
19、2.本专利技术通过设计将热电转换单元的散热片同时作为压电转换单元的基底层，将压电片固定在其两侧，可以将热能和风能同时转换为电能，实现将热电转换单元和压电转换单元合成为一个混合式能量收集器。基底层散热片在外界风力或其他机械作用下产生振动，这些振动能量通过紧密固定的压电片传递并被转化为电能，从而基于压电效应实现电能输出。
20、3.本专利技术通过设计在基底层散热片末端加装一个质量块。质量块通过其设计，可以放大和集中环境风能对基底层散热片的振动幅度。这些振动幅度通过基底层散热片传递到压电片，从而增强压电片的形变，提升环境风能向电能的转换效率。在整个系统中，设计高密度金属块通过放大和集中振动能量，确保压电转换单元能够高效稳定地运行，从而提高整个装置的能量采集效率。
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1.一种层合热电-压电混合式能量采集器，包括热电转换单元和压电转换单元，其特征在于，热电转换单元为层合热电转换单元(1)，包括：
2.根据权利要求1所述的一种层合热电-压电混合式能量采集器，其特征在于，自下而上位于每个间隙内的多个热电材料的工作温度依次递减。
3.根据权利要求1所述的一种层合热电-压电混合式能量采集器，其特征在于，相邻两个间隙内分别与各导热片(11)底部连接的导电铜片(14)能够通过第一导线连接以及相邻两个间隙内分别与各导热片(11)底部连接的导电铜片(14)通过第二导线(16)与负载电阻(15)或用电器连接。
4.根据权利要求1所述的一种层合热电-压电混合式能量采集器，其特征在于，所述基底层散热片(21)的顶部设有质量块(23)。
5.根据权利要求1所述的一种层合热电-压电混合式能量采集器，其特征在于，所述导热片(11)由高导热率的介电材料或半导体材料制成，所述导热片(11)的表面设有绝缘层，所述绝缘层为硅胶。
6.根据权利要求1所述的一种层合热电-压电混合式能量采集器，其特征在于，所述导电铜片(14)
7.根据权利要求1所述的一种层合热电-压电混合式能量采集器，其特征在于，所述P型半导体材料为碲化铋、锑化铅或硒化铋中的任意一种，所述N型半导体材料为硫化锡、氮化铝或碲化铅中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的一种层合热电-压电混合式能量采集器，其特征在于，所述压电片(22)的厚度小于基底层散热片(21)。
9.根据权利要求1所述的一种层合热电-压电混合式能量采集器，其特征在于，所述基底层散热片(21)的材料可为铜铝合金，所述压电片(22)的材料包括但不限于压电陶瓷、钛酸钡或锆钛酸铅中的一种。
10.根据权利要求1所述的一种层合热电-压电混合式能量采集器，其特征在于，所述基底层散热片(21)与最顶层的导热片(11)固定连接。
...【技术特征摘要】
1.一种层合热电-压电混合式能量采集器，包括热电转换单元和压电转换单元，其特征在于，热电转换单元为层合热电转换单元(1)，包括：
2.根据权利要求1所述的一种层合热电-压电混合式能量采集器，其特征在于，自下而上位于每个间隙内的多个热电材料的工作温度依次递减。
3.根据权利要求1所述的一种层合热电-压电混合式能量采集器，其特征在于，相邻两个间隙内分别与各导热片(11)底部连接的导电铜片(14)能够通过第一导线连接以及相邻两个间隙内分别与各导热片(11)底部连接的导电铜片(14)通过第二导线(16)与负载电阻(15)或用电器连接。
4.根据权利要求1所述的一种层合热电-压电混合式能量采集器，其特征在于，所述基底层散热片(21)的顶部设有质量块(23)。
5.根据权利要求1所述的一种层合热电-压电混合式能量采集器，其特征在于，所述导热片(11)由高导热率的介电材料或半导体材料制成，所述导热片(11)的表...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘越，姜龙豪，曹强，陈慧，杨杰，
申请(专利权)人：上海电机学院，
类型：发明
国别省市：
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