CN102223105A - 压电发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用压电材料收集流体动能的压电发电装置，由涡轮转子组件、压电振子组件和弹性小球构成，所述的涡轮转子组件包括涡轮叶片和圆环型结构，在圆环型结构的外圆柱面上固定涡轮叶片；压电振子组件由压电振动片固定在圆环型结构的内圆柱面上构成多边形内部结构，该压电振动片由局部粘贴压电振子的弹性片构成，该压电材料两面被有电极构成压电振子，该两个电极分别引出导线与负载连接，弹性片的一端固定在圆环形结构的内圆柱面上，另一端自由，形成悬臂梁结构，弹性小球自由地置于压电振动片所形成的内腔中，圆环型结构两端封堵。本发明具有磨损小、寿命长、效率高等特点，且在气流速度较小的情况下也能发电，克服了现有技术的缺点。

Description

压电发电装置
技术领域
本发明属于风力发电和水力发电领域，特别是一种压电发电装置。
背景技术
利用自然界风能和水能进行发电，为各种户外设施进行自供电的系统符合当今节能、环保、低碳的发展趋势，在工业监控、智能交通、智能电网、矿山安全、环境监测、平安家居、医疗保健等领域具有广阔的应用前景。
美国的Priya采用压电器件设计制造了一种小型风力发电机US11/252903。可在时速8～16公里的风力驱动下发电。发电机的桨叶连到凸轮上，使围绕轴排成圆形的一系列双压电晶片产生振荡，从而输出电能。该方案具有两个缺点：一是压电双晶片每一次转动都与凸轮碰撞，摩擦，因此产生磨损，造成能量损失，同时降低使用寿命。二是在风速较低时，桨叶与凸轮不会脱离，压电双晶片保持一定的弯曲状态不变，此时不再发电。由NEC TOKIN与日本Heardea联合开发、配备采用压电转换元件的发电装置的新型道路标识在日本试运行。其原理就是通过置于环形槽内钢球的滚动，撞击压电元件来发电。该装置设置在交通量大的公路隧道内，可利用汽车驶过时产生的气流驱动标识旋转。钢球位于由压电转换元件分隔成的环形通道中，标识转动时钢球就会在通道中运动，撞击通道两端的压电元件，使压电元件输出电荷。这种方案的主要缺点是，当车连续驶过而产生强烈的风时标识就会高速转动，从而使钢球紧贴着压电转换元件运动，压电元件得不到交变的压力作用，就不能发电了。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用压电材料收集流体动能的高效、适用范围广的压电发电装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种利用压电材料收集流体动能的压电发电装置，由涡轮转子组件、压电振子组件和弹性小球构成，所述的涡轮转子组件包括涡轮叶片和圆环型结构，在圆环型结构的外圆柱面上固定涡轮叶片；压电振子组件由三个或三个以上相同结构的压电振动片固定在圆环型结构的内圆柱面上构成多边形内部结构，该压电振动片由局部粘贴压电振子的弹性片构成，该压电材料两面被有电极构成压电振子，该两个电极分别引出导线与负载连接，弹性片的一端固定在圆环形结构的内圆柱面上，另一端自由，形成悬臂梁结构，弹性小球自由地置于压电振动片所形成的内腔中，圆环型结构两端封堵。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)采用自由弹性球内置于压电振动片构成的多边形腔体中的新结构。利用置于流动空气或其它流体中的涡轮带动多边形腔体绕一水平轴转动，使弹性球在自身重力和压电振动片的作用下产生运动，撞击压电振动片使其产生振动，进而使压电振动片上的压电材料两面的电极输出电能。(2)所构成的压电发电装置具有磨损小、寿命长、效率高等特点，且在气流速度较小的情况下也能发电，克服了现有技术的缺点。(3)利用压电效应，从空气或其他流体的运动中收集能量，转化为电能，是一种小型风力发电或水力发电装置，可用于户外使用的小型设备或设施的自供电。在很小或较大的风速情况下都可以发电，具有广泛的适应性。2-3级微风便可以产生持续电能，其机电转化效率与目前先进的大型风电设备效率相当，可用以为无线传感网节点供电。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明压电发电装置的示意图。
图2是本发明压电发电装置内部结构示意图。
图3是压电振动片和弹性小球示意图。
具体实施方式
结合图1，本发明利用压电材料收集流体动能的压电发电装置，由涡轮转子组件、压电振子组件和弹性小球3构成，所述的涡轮转子组件包括涡轮叶片1和圆环型结构2，用于将空气或水流动的动能转化为涡轮组件的转动动能。在圆环型结构2的外圆柱面上固定涡轮叶片1(涡轮叶片1有多个，数量根据应用的场合可以选择两个或两个以上)；压电振子组件由三个或三个以上相同结构的压电振动片固定在圆环型结构2的内圆柱面上构成多边形内部结构，该压电振动片由局部粘贴压电振子的弹性片8构成，压电振子由压电材料6和该压电材料6两面被有电极5、7构成，该两个电极5、7分别引出导线9、11与负载10连接，弹性片8的一端(可以经铆钉4或螺纹等方式)固定在圆环形结构2的内圆柱面上，另一端自由，形成悬臂梁结构，弹性小球3自由地置于压电振动片所形成的内腔中，圆环型结构2两端封堵。
本发明压电发电装置的圆环形结构2旋转轴水平迎着流体如空气或水的来流方向为工作安装状态，在空气或水流的作用下流体流动驱动涡轮转子组件和压电振子组件旋转，弹性小球3在弹性片8的作用下获得动能和势能，弹性小球3受到压电振动片和地心引力的作用，在压电振动片形成的内腔中运动，撞击压电振动片使其产生弯曲振动，弹性片8的振动使得压电材料6产生变形，由于压电效应，进而使压电材料6所被电极5、7上产生电荷，经电极5、7和导线9、11输出到负载10，在与负载10构成的回路中形成电流，最终将气流或水流的动能转化为电能。弹性小球3为一个或一个以上，大小可以相等或不等。负载10为发光二级管、无线传感器、整流滤波电路、蓄电池、电容或扬声器等。
实施例
本发明压电发电装置的一种实现方式中，装有涡轮叶片的圆环形结构构成的涡轮组件，用于收集空气或水流动的动能，如图1所示；三个压电振动片均布于圆环形结构内部，形成正三边形内腔，内腔中放置一个弹性小球，如图2所示；每个压电振动片由铆钉固定在涡轮组件的圆环形结构的内表面，形成悬臂梁结构，如图3所示。
涡轮组件在空气或其它流体作用下旋转，带动压电振动片形成的三边形结构同步旋转。内腔中的弹性小球受到三个力的作用：弹性小球自身重力mg、离心力mω2r和来自弹性片的作用力f，其中，m为弹性小球质量、g为当地重力加速度、ω为弹性小球绕涡轮组件回转中心旋转的角速度、r为当前弹性小球球心与涡轮组件回转中心的距离。在这三个力的共同作用下，弹性小球在三边形内腔中运动，不断与弹性片发生碰撞，使压电振子产生弯曲振动。压电振子上的压电材料产生往复的变形，在其表面上产生电荷，在电极、导线和负载所构成的回路中形成交变电流，达到给负载供电的目的。
该装置输出电能的大小除了与涡轮组件吸收的动能和压电材料自身的机电转换能力有关之外，还与装置的机械能传递效率有关。弹性小球可以无约束地在三边形内腔中自由运动，最大限度地减小了由于摩擦造成的能量损失；弹性小球在三边形内的任意一次撞击都能激发压电振子的振动，使压电材料输出电荷。
外界流体(空气、水等)流动使涡轮组件及其内置的三边形结构产生转动，流体速度越大、三边形结构转动速度越大。流体流速不同，弹性小球的运动方式也不同。以小球的不同运动方式，可以将流速作一个简单划分：超低速、低速、中速和高速。在中速情况下，三边形结构连续旋转，弹性小球与振动片瞬间接触后即脱离，形成跳跃反弹的运动方式，压电振子受到弹性小球的撞击产生振动，其上的压电材料产生电荷输出。在低速情况下，三边形结构连续旋转，弹性小球沿三边形内腔边沿滚动，撞击相邻弹性片，使其产生振动并在其上的压电材料表面产生电荷输出。超低速时涡轮组件不再连续转动，但该装置仍然可以发电。极端情况下，流体速度很小且流速稳定，弹性小球重力mg产生的力矩与涡轮叶片获得的转动力矩平衡，弹性小球与压电振子没有相对运动，压电振子不振动，也就不会有持续的电荷输出。然而，自然界中流速(如风速)很小且速度很稳定的情况是比较罕见的，普遍的情况流速是不稳定的。此时，涡轮组件会在一定的角度范围内摆动，此时有交变的压力作用与压电振子，其上的压电材料表面仍然能产生电荷输出。因此，在风速很小但不稳定的情况下，该装置仍然能发电。高速是另一个极端的情况，此时，弹性小球的离心力mω2r较其重力mg大很多。由于离心力占主导地位，弹性小球会稳定在两个弹性片之间的角落处，与系统同步旋转。此时，虽然由于弹性小球重力的作用，振子所受到的压力仍然是交变的，但所能输出的电能却很小。因此，在对小球离心力的设计时必须考虑该装置使用环境的最大风速，确保在环境风速范围内有较大的电能输出。因此，本发明的装置经仔细的结构优化和动力学设计后，可在很小和较大的风速情况下发电，具有广泛的适应性。
对于压电振子和弹性小球的数量来说，是一个最小配置。实际上，考虑到不同的应用场合和使用环境，可以对压电振子和弹性小球的数量进行调整，以提高该装置的发电能力和发电效率。更多压电振动片(＞3)所组成的多边形能降低驱动涡轮组件连续旋转的流速的下限；而更多的弹性小球(＞1)能使其增加碰撞机会，同时，使其难以同时稳定在多边形内腔的特定位置，从而提高流速的上限，并提高发电的效率。

Claims (4)

1.一种利用压电材料收集流体动能的压电发电装置，其特征在于：由涡轮转子组件、压电振子组件和弹性小球(3)构成，所述的涡轮转子组件包括涡轮叶片(1)和圆环型结构(2)，在圆环型结构(2)的外圆柱面上固定涡轮叶片(1)；压电振子组件由三个或三个以上相同结构的压电振动片固定在圆环型结构(2)的内圆柱面上构成多边形内部结构，该压电振动片由局部粘贴压电振子的弹性片(8)构成，压电振子由压电材料(6)和该压电材料(6)两面所被电极(5、7)组成，该两个电极(5、7)分别引出导线(9、11)与负载(10)连接，弹性片(8)的一端固定在圆环形结构(2)的内圆柱面上，另一端自由，形成悬臂梁结构，弹性小球(3)自由地置于压电振动片所形成的内腔中，圆环型结构(2)两端封堵。
2.根据权利要求1所述的压电发电装置，其特征在于：以圆环形结构(2)旋转轴水平为工作安装状态，流体流动驱动涡轮转子组件和压电振子组件旋转，弹性小球(3)受到压电振动片和地心引力的作用，在压电振动片形成的内腔中运动，撞击压电振动片使其产生弯曲振动，进而使压电材料(6)所被电极(5、7)上产生电荷，经导线(9、11)输出到负载(10)，实现流体动能转化为电能。
3.根据权利要求1所述的压电发电装置，其特征在于：弹性小球(3)为一个或一个以上，大小相等或不等。
4.根据权利要求1所述的压电发电装置，其特征在于：负载(10)为发光二级管、无线传感器、整流滤波电路、蓄电池、电容或扬声器。
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