壓電發電裝置的製作方法
2023-05-24 04:23:31 1
專利名稱：壓電發電裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於風力發電和水力發電領域，特別是一種壓電發電裝置。
背景技術：
利用自然界風能和水能進行發電，為各種戶外設施進行自供電的系統符合當今節能、環保、低碳的發展趨勢，在工業監控、智能交通、智能電網、礦山安全、環境監測、平安家居、醫療保健等領域具有廣闊的應用前景。美國的I^riya採用壓電器件設計製造了一種小型風力發電機US11/252903。可在時速8 16公裡的風力驅動下發電。發電機的槳葉連到凸輪上，使圍繞軸排成圓形的一系列雙壓電晶片產生振蕩，從而輸出電能。該方案具有兩個缺點一是壓電雙晶片每一次轉動都與凸輪碰撞，摩擦，因此產生磨損，造成能量損失，同時降低使用壽命。二是在風速較低時，槳葉與凸輪不會脫離，壓電雙晶片保持一定的彎曲狀態不變，此時不再發電。由NEC TOKIN與日本Heardea聯合開發、配備採用壓電轉換元件的發電裝置的新型道路標識在日本試運行。其原理就是通過置於環形槽內鋼球的滾動，撞擊壓電元件來發電。該裝置設置在交通量大的公路隧道內，可利用汽車駛過時產生的氣流驅動標識旋轉。鋼球位於由壓電轉換元件分隔成的環形通道中，標識轉動時鋼球就會在通道中運動，撞擊通道兩端的壓電元件，使壓電元件輸出電荷。這種方案的主要缺點是，當車連續駛過而產生強烈的風時標識就會高速轉動，從而使鋼球緊貼著壓電轉換元件運動，壓電元件得不到交變的壓力作用，就不能發電了。
發明內容
本發明的目的在於提供一種利用壓電材料收集流體動能的高效、適用範圍廣的壓電發電裝置。實現本發明目的的技術解決方案為一種利用壓電材料收集流體動能的壓電發電裝置，由渦輪轉子組件、壓電振子組件和彈性小球構成，所述的渦輪轉子組件包括渦輪葉片和圓環型結構，在圓環型結構的外圓柱面上固定渦輪葉片；壓電振子組件由三個或三個以上相同結構的壓電振動片固定在圓環型結構的內圓柱面上構成多邊形內部結構，該壓電振動片由局部粘貼壓電振子的彈性片構成，該壓電材料兩面被有電極構成壓電振子，該兩個電極分別引出導線與負載連接，彈性片的一端固定在圓環形結構的內圓柱面上，另一端自由，形成懸臂梁結構，彈性小球自由地置於壓電振動片所形成的內腔中，圓環型結構兩端封堵。本發明與現有技術相比，其顯著優點(1)採用自由彈性球內置於壓電振動片構成的多邊形腔體中的新結構。利用置於流動空氣或其它流體中的渦輪帶動多邊形腔體繞一水平軸轉動，使彈性球在自身重力和壓電振動片的作用下產生運動，撞擊壓電振動片使其產生振動，進而使壓電振動片上的壓電材料兩面的電極輸出電能。(2)所構成的壓電發電裝置具有磨損小、壽命長、效率高等特點，且在氣流速度較小的情況下也能發電，克服了現有
3技術的缺點。C3)利用壓電效應，從空氣或其他流體的運動中收集能量，轉化為電能，是一種小型風力發電或水力發電裝置，可用於戶外使用的小型設備或設施的自供電。在很小或較大的風速情況下都可以發電，具有廣泛的適應性。2-3級微風便可以產生持續電能，其機電轉化效率與目前先進的大型風電設備效率相當，可用以為無線傳感網節點供電。下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
圖1是本發明壓電發電裝置的示意圖。圖2是本發明壓電發電裝置內部結構示意圖。圖3是壓電振動片和彈性小球示意圖。
具體實施例方式結合圖1，本發明利用壓電材料收集流體動能的壓電發電裝置，由渦輪轉子組件、 壓電振子組件和彈性小球3構成，所述的渦輪轉子組件包括渦輪葉片1和圓環型結構2，用於將空氣或水流動的動能轉化為渦輪組件的轉動動能。在圓環型結構2的外圓柱面上固定渦輪葉片1(渦輪葉片1有多個，數量根據應用的場合可以選擇兩個或兩個以上)；壓電振子組件由三個或三個以上相同結構的壓電振動片固定在圓環型結構2的內圓柱面上構成多邊形內部結構，該壓電振動片由局部粘貼壓電振子的彈性片8構成，壓電振子由壓電材料6和該壓電材料6兩面被有電極5、7構成，該兩個電極5、7分別引出導線9、11與負載10 連接，彈性片8的一端(可以經鉚釘4或螺紋等方式)固定在圓環形結構2的內圓柱面上， 另一端自由，形成懸臂梁結構，彈性小球3自由地置於壓電振動片所形成的內腔中，圓環型結構2兩端封堵。本發明壓電發電裝置的圓環形結構2旋轉軸水平迎著流體如空氣或水的來流方向為工作安裝狀態，在空氣或水流的作用下流體流動驅動渦輪轉子組件和壓電振子組件旋轉，彈性小球3在彈性片8的作用下獲得動能和勢能，彈性小球3受到壓電振動片和地心引力的作用，在壓電振動片形成的內腔中運動，撞擊壓電振動片使其產生彎曲振動，彈性片8 的振動使得壓電材料6產生變形，由於壓電效應，進而使壓電材料6所被電極5、7上產生電荷，經電極5、7和導線9、11輸出到負載10，在與負載10構成的迴路中形成電流，最終將氣流或水流的動能轉化為電能。彈性小球3為一個或一個以上，大小可以相等或不等。負載 10為發光二級管、無線傳感器、整流濾波電路、蓄電池、電容或揚聲器等。實施例本發明壓電發電裝置的一種實現方式中，裝有渦輪葉片的圓環形結構構成的渦輪組件，用於收集空氣或水流動的動能，如圖1所示；三個壓電振動片均布於圓環形結構內部，形成正三邊形內腔，內腔中放置一個彈性小球，如圖2所示；每個壓電振動片由鉚釘固定在渦輪組件的圓環形結構的內表面，形成懸臂梁結構，如圖3所示。渦輪組件在空氣或其它流體作用下旋轉，帶動壓電振動片形成的三邊形結構同步旋轉。內腔中的彈性小球受到三個力的作用彈性小球自身重力mg、離心力Hico2r和來自彈性片的作用力f，其中，m為彈性小球質量、g為當地重力加速度、ω為彈性小球繞渦輪組件迴轉中心旋轉的角速度、r為當前彈性小球球心與渦輪組件迴轉中心的距離。在這三個力的共同作用下，彈性小球在三邊形內腔中運動，不斷與彈性片發生碰撞，使壓電振子產生彎曲振動。壓電振子上的壓電材料產生往復的變形，在其表面上產生電荷，在電極、導線和負載所構成的迴路中形成交變電流，達到給負載供電的目的。該裝置輸出電能的大小除了與渦輪組件吸收的動能和壓電材料自身的機電轉換能力有關之外，還與裝置的機械能傳遞效率有關。彈性小球可以無約束地在三邊形內腔中自由運動，最大限度地減小了由於摩擦造成的能量損失；彈性小球在三邊形內的任意一次撞擊都能激發壓電振子的振動，使壓電材料輸出電荷。外界流體(空氣、水等)流動使渦輪組件及其內置的三邊形結構產生轉動，流體速度越大、三邊形結構轉動速度越大。流體流速不同，彈性小球的運動方式也不同。以小球的不同運動方式，可以將流速作一個簡單劃分超低速、低速、中速和高速。在中速情況下，三邊形結構連續旋轉，彈性小球與振動片瞬間接觸後即脫離，形成跳躍反彈的運動方式，壓電振子受到彈性小球的撞擊產生振動，其上的壓電材料產生電荷輸出。在低速情況下，三邊形結構連續旋轉，彈性小球沿三邊形內腔邊沿滾動，撞擊相鄰彈性片，使其產生振動並在其上的壓電材料表面產生電荷輸出。超低速時渦輪組件不再連續轉動，但該裝置仍然可以發電。 極端情況下，流體速度很小且流速穩定，彈性小球重力mg產生的力矩與渦輪葉片獲得的轉動力矩平衡，彈性小球與壓電振子沒有相對運動，壓電振子不振動，也就不會有持續的電荷輸出。然而，自然界中流速(如風速)很小且速度很穩定的情況是比較罕見的，普遍的情況流速是不穩定的。此時，渦輪組件會在一定的角度範圍內擺動，此時有交變的壓力作用與壓電振子，其上的壓電材料表面仍然能產生電荷輸出。因此，在風速很小但不穩定的情況下， 該裝置仍然能發電。高速是另一個極端的情況，此時，彈性小球的離心力Hico2r較其重力mg 大很多。由於離心力佔主導地位，彈性小球會穩定在兩個彈性片之間的角落處，與系統同步旋轉。此時，雖然由於彈性小球重力的作用，振子所受到的壓力仍然是交變的，但所能輸出的電能卻很小。因此，在對小球離心力的設計時必須考慮該裝置使用環境的最大風速，確保在環境風速範圍內有較大的電能輸出。因此，本發明的裝置經仔細的結構優化和動力學設計後，可在很小和較大的風速情況下發電，具有廣泛的適應性。對於壓電振子和彈性小球的數量來說，是一個最小配置。實際上，考慮到不同的應用場合和使用環境，可以對壓電振子和彈性小球的數量進行調整，以提高該裝置的發電能力和發電效率。更多壓電振動片(>；3)所組成的多邊形能降低驅動渦輪組件連續旋轉的流速的下限；而更多的彈性小球(> 1)能使其增加碰撞機會，同時，使其難以同時穩定在多邊形內腔的特定位置，從而提高流速的上限，並提高發電的效率。
權利要求
1.一種利用壓電材料收集流體動能的壓電發電裝置，其特徵在於由渦輪轉子組件、 壓電振子組件和彈性小球(3)構成，所述的渦輪轉子組件包括渦輪葉片(1)和圓環型結構 O)，在圓環型結構O)的外圓柱面上固定渦輪葉片(1)；壓電振子組件由三個或三個以上相同結構的壓電振動片固定在圓環型結構O)的內圓柱面上構成多邊形內部結構，該壓電振動片由局部粘貼壓電振子的彈性片⑶構成，壓電振子由壓電材料(6)和該壓電材料(6) 兩面所被電極(5、7)組成，該兩個電極(5、7)分別引出導線(9、11)與負載(10)連接，彈性片(8)的一端固定在圓環形結構O)的內圓柱面上，另一端自由，形成懸臂梁結構，彈性小球(3)自由地置於壓電振動片所形成的內腔中，圓環型結構(2)兩端封堵。
2.根據權利要求1所述的壓電發電裝置，其特徵在於以圓環形結構(2)旋轉軸水平為工作安裝狀態，流體流動驅動渦輪轉子組件和壓電振子組件旋轉，彈性小球C3)受到壓電振動片和地心引力的作用，在壓電振動片形成的內腔中運動，撞擊壓電振動片使其產生彎曲振動，進而使壓電材料(6)所被電極(5、7)上產生電荷，經導線(9、11)輸出到負載 (10)，實現流體動能轉化為電能。
3.根據權利要求1所述的壓電發電裝置，其特徵在於彈性小球C3)為一個或一個以上，大小相等或不等。
4.根據權利要求1所述的壓電發電裝置，其特徵在於負載(10)為發光二級管、無線傳感器、整流濾波電路、蓄電池、電容或揚聲器。
全文摘要
本發明公開了一種利用壓電材料收集流體動能的壓電發電裝置，由渦輪轉子組件、壓電振子組件和彈性小球構成，所述的渦輪轉子組件包括渦輪葉片和圓環型結構，在圓環型結構的外圓柱面上固定渦輪葉片；壓電振子組件由壓電振動片固定在圓環型結構的內圓柱面上構成多邊形內部結構，該壓電振動片由局部粘貼壓電振子的彈性片構成，該壓電材料兩面被有電極構成壓電振子，該兩個電極分別引出導線與負載連接，彈性片的一端固定在圓環形結構的內圓柱面上，另一端自由，形成懸臂梁結構，彈性小球自由地置於壓電振動片所形成的內腔中，圓環型結構兩端封堵。本發明具有磨損小、壽命長、效率高等特點，且在氣流速度較小的情況下也能發電，克服了現有技術的缺點。
文檔編號H02N2/18GK102223105SQ20101014630
公開日2011年10月19日 申請日期2010年4月14日 優先權日2010年4月14日
發明者楊穎 , 金家楣 申請人:南京航空航天大學