CN102468421A - 压电发电模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电发电模块，包括：一上盖；一下盖；一机电转换单元，该机电转换单元系为一金属片，金属片贴有复数个压电片，机电转换单元并电性连接一输出端；一气垫，设置于该些压电片下方，以提供该些压电片形变空间；及复数个突起物，固定于上盖的内表面，并设置于该些压电片上方，每一突起物受力端接触面积大于施力于压电片上的接触面积，以当压电发电模块受到一外力时，达到压力放大的效果。
Description
技术领域
本发明关于一种压电发电模块，特别是一种平板式的压电发电模块，可应用于多层面的领域。
背景技术
随石油价格高涨，再生或洁净能源成为新的能源发展方向，其中以太阳能、风能与生质能源的技术开发为主，又以太阳能的产业发展最迅速。唯现有的再生能源开发均遭受原料与制造成本高的问题，导致在无政府补助奖励下无法生存，如何降低再生能源的发电成本一直是相关产业技术开发的重点。机械能是一种值得考量的能源，它始终存在于地球环境中，例如风力，浪潮变化都是机械能潜在发展的来源之一。此外，凡移动的物体也会有机械能产生，因此机械能为地球上到处存在的能源。只是，机械能表现的形态随时间有相当大的变化，不易获得稳定的机械能来源。
有关机械能的利用，目前有悬臂式结构的压电片，其悬臂均以固定于一不会移动的墙面上，将机械能透过墙面送至压电片。请参考专利：JP11146663、JP2003061367，即揭露在悬臂上贴合压电片形成压电发电器，以悬臂式结构来产生机械震动，带动压电片压缩或拉伸来产生电压。WO0120760专利也同样揭示将压电片贴于微加工制作的悬臂上。另外，如专利JP9205781、US5751091、JP2004222414等使用类似悬臂结构之外，也使用多层结构的压电片以增加产生的电能。
专利WO2004030949、EP1762403、MXPA05003441、WO2006009775、US2005280334、US2004108724、US6909224、US6655035、US6194815等揭示对非直线运动的机械力，亦可设计机械结构来转换作用力方向，使其连续作用压电片产生电压，如，使用旋转造成的扭力的致动器，将旋转动能转换成使压电片产生连续弯曲变形的作用力，以产生电压的输出。
专利WO9625769、US5578889、US5548177、JP2001180575等则揭露对水流类的流体动能，透过浮标的上下浮动作为机械能传送结构，如，因浮标结构的随波摆动导压电片变形产生电压输出。
专利US6424079，揭示使用线状结构，受流体带动产生扭动也可传送机械能到压电片上，如使其产生电压输出。
专利JP2003152238与US2005225207，使用带状的贴合压电片结构，经过对滚的圆筒产生的压力，受连续压力作用产生电压输出，其中使用多片压电片贴合于具弹性的胶带上，滚轴旋转时可以产生连续的电压输出。
专利JP2002218769、US20030146676、AU6020101等则揭露使用软基材，利用外力作用使基材变形，导致附着的压电片变形产生电压输出。
专利JP2003315363、JP2001339963、JP7245970等揭露多数个压电片并贴或堆迭为增加电能输出的方式，如透过金属片与接线对压电片形成串并联电路连接，以提供大的电压或电流输出。
发明内容
本发明提供一种压电发电模块，包括：一上盖；一下盖；一机电转换单元，该机电转换单元系为一金属片或一导电片，金属片或导电片贴有复数个压电片，机电转换单元并电性连接一输出端；一气垫，设置于该些压电片下方，以提供该些压电片形变空间；及复数个突起物，固定于上盖的内表面，并设置于该些压电片上方，每一突起物受力端接触面积大于施力于压电片上的接触面积，以当压电发电模块受到一外力时，达到压力放大的效果。
其中，气垫材质选自橡胶、硅胶或塑胶、泡棉、保丽龙球或发泡塑胶粒其中的一种。本发明的压电发电模块可以包括多个气垫，该些气垫为球型气垫。并且，压电发电模块的下盖具有一凹槽以容置该些球型气垫及机电转换单元。此外，突起物的外型可以是为一锥形体、一柱状体或为一半圆球体，其中突起物最佳为刚性系数大约0.7以上的刚性材料。
本发明的压电发电模块也可以是平板式的，且上盖及下盖的材质为弹性材质，选用可以任意挠曲的橡胶或塑胶材质，使压电发电模块可受任意挠曲、杆压、辗压或是敲击来输出电流。
本发明平板式压电发电模块，更包括多个机电转换单元，选择以串联、并联及其任意组合其中的一种方式相互连接。
平板式压电发电模块，更包括一整流器，整流器电性连接于输出端，使压电片所产生的电能输出至整流器。本发明平板式压电发电模块更包括一充电装置，整流器电性连接于充电装置，使整流后的直流电储存至充电装置。
输出端也可以电性连接于一负载电路，使机电转换单元受外力所产生的电能输出至整流器后，即可提供电流给负载电路。
关于本发明的优点与精神可以藉由以下的本发明实施例及附图得到进一步的了解。
附图说明
图1A至图1C分别显示本发明实施例压电发电模块俯视、前视及右侧视的剖面示意图；
图2显示本发明实施例的机电转换单元的示意图；
图3A至图3C分别显示本发明另一实施例压电发电模块俯视、前视及右侧视的剖面示意图；
图4A及图4B分别显示本发明不同实施例压电发电模块前视的剖面示意图；及
图5显示本发明压电发电模块的功能方块图。
主要元件符号说明：
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文依本发明的压电发电模块，特举较佳实施例，并配合所附相关图式，作详细说明如下，其中相同的元件将以相同的元件符号加以说明。
本发明的压电发电模块1并未使用悬臂式结构来压缩或拉伸压电片，而是开发另一种新的结构，使压电发电模块内的压电片产生形变，以输出电流。请参照图1A至图1C，分为本发明实施例压电发电模块的俯视、右侧视及前视剖面示意图。压电发电模块1包括一上盖10、一下盖11、一机电转换单元12、一气垫13、及复数个突起物14。
本发明实施例的压电发电模块1系为一平板式压电发电模块，且上盖10及下盖11的材质为弹性材质，选用可以任意挠曲的橡胶或塑胶材质，比如：硅胶、乳胶、聚氨脂(PU)等高分子聚合物，使平板式压电发电模块可受任意挠曲、杆压、辗压或是敲击来输出电流，其结构及原理将于后文中详述。
请参照图2，为本发明机电转换单元12的示意图。机电转换单元12包括一金属片120，其中至少有一面贴有复数个压电片122。机电转换单元12并电性连结一输出端123，以将压电片122形变的后所产生的电能输出。在本发明实施例中，为了使输出电能增加，在金属片120的上下两面各贴合复数个压电片122。在另一实施例中，金属片120也可以被取代为导电片，比如：以塑胶材质的平板表面镀导电层。此外，本发明的机电转换单元12利用电路板124，如图2所示，以将该些压电片122以串联或并联相接，并将该些压电片因形变而产生的电流输出至输出端123。
本发明的另一较佳实施例如图3A至3C所示，选择使用多个电子元件125将该些压电片122做电性连接，如图3A所示。利用电子元件125的好处是，压电片具有较大的变形空间，并提高压电发电模块1压电转换的灵敏度。
另外，由于一般压电片122系为陶瓷材料所制，压电片122的面积若是太大，在受到挠曲力时还是很容易碎裂，特别在本案中，为了使平板式的压电发电模块1可以尽量轻薄，同时，又能保护压电片122不会因为受外应力过大而碎裂，本发明实施例中，压电片122的面积大约11至13mm2，且彼此之间，相距一预定距离。并且，每一压电片122长宽比范围大约1至10，以利于使压电片122弯曲产生形变。
由于在本发明实施例的压电发电模块1是平板式的，为了使机电转换单元12受力的后，压电片122还能在有限的空间内产生足够的形变量，本发明在压电片122下方设置一气垫13，以提供压电片122形变的空间。除此之外，也可以保护陶瓷材料所制成的压电片122，使之不容易因为应力过大而裂开。
在本实施例中，使用了复数个气垫13，气垫13为一气垫球，当然，为了调整弹性系数，可以控制球体内部的气泡率，或者也可以是一空心球壳。此处所指气垫13的外型仅是为方便说明的一实施例而已，它不限于图示形状，其它形状也是可行的。复数个气垫13目的是用以产生一回复力，因此，具有弹性的小弹簧自然也是可被选择的替代物之一。下盖11具有一凹槽110，多个球型气垫13铺设于下盖11的凹槽110内，机电转换单元12迭置于气垫13上。气垫13的材质选自橡胶、硅胶、泡棉、保丽龙球或发泡塑胶粒其中的一种。
复数个突起物14，设置于上盖10的内表面101，使上盖10与下盖11结合时，机电转换单元12位于突起物14及气垫13之间。当压电发电模块1受到一外力时，突起物14可以使机电转换单元12上多个压电片122同时受力，并增加每一受力点单位面积所受的压力，使这些压电片122同时输出电能，有效提高压电转换效率。本发明实施例的突起物14是锥形体，顶点朝下，即下尖上平，当然，尖端处不能太尖锐，在本发明实施例中，锥形体尖端处具有圆角或镶以小珠子为最佳，并且，突起物14最好是由刚性系数大约0.7以上的刚性材料所制备。如图1B及图1C所示，突起物14的特征是接近上盖10(即受力端)的上表面积要大于施力于机电转换单元12接触点的下表面积，以产生压力放大的效果。上表面积/下表面积比愈大，则放大效果愈佳。突起物14可以任意习知的固定方式固定于上盖10内表面101，也可以和上盖10一体成型。
在一较佳实施中，前述的突起物14在本发明一实施例中也可以是四分之三球体或半圆球体，然而，只要上表面积大于施力接触点的下表面积即可，并不限于本发明的实施例所述的形状，当然，当突起物14为半圆球体时，会具有最佳的效果，如图4A。每一突起物14和压电片122的接触点仅有一点，除了可以产生压力放大的效果之外，由于其形状较为圆滑，因此当上盖受外力冲击时，对于压电片122的损伤比较小，可以延长本发明压电发电模块的使用寿命。
本发明的突起物14可以选择使用多个并列的半圆柱体，也能达到相同的效果，其他具有通常知识者可轻易推知的形状及变化，也应包含在本发明范围内，在此并不一一描述。
另一方面，突起物14为半圆球体，可以使多层压电发电模块垂直迭加，以提高单位面积压电转换的效率，如图4B所示。只要在上下两组机电转换单元12a及12b之间新增一垫板19，其材质如同上盖10或下盖11一般选用可以任意挠曲的橡胶或塑胶材质，比如：硅胶、乳胶、PU等高分子聚合物。垫板19下表面同样具有复数个半圆球体突起物14，除了提供上层压电片122a的变形空间，同时也对下层的压电片122b施加压力，提供压力放大的效果。
本发明采用多个突起物14相较于仅采用单一突起物的设计还有另一个优点，也就是每一受力的压电片，力电耦合的关系仍位于线性变化区内，使应力能更有效的被转换成电能输出。单一突起物的设计虽然可以使单位面积的受力增加，但由于其应力皆集中于同一压电片上，而压电片输出的电流并不会随着变形量的加大而无限度的增加，最终仍会达到饱和，此时，即便继续对压电片施力使之产生变形，也无法再提供更多的电流。
当然，依照实际应用需求及输入机械能的大小，可任意改变机电转换单元12及压电片122的个数，以及机电转换单元11的排列方式，选择以串联、并联及其任意组合其中的一种方式相互连接，来提高转换产生的电能。本发明实施例中，为了使压电发电模块1可以应用于户外，或者是一些湿气较重的环境中，压电发电模块1封装时更包括一防水膜层15包覆压电发电模块1，以防止水气渗入，造成机电转换单元12受损。
请参照图5，为本发明压电发电模块1的功能方块图。输出端123可以电性连接于一整流器16，使该些压电片所产生的电能输出至该整流器16。整流器16可再连接于一充电装置17，以储存整流器16输出的直流电。充电装置17可以是一电容或者是一充电电池。
整流器16也可以电性连接一负载电路18，比如一发光元件，使机电转换单元12受外力所产生的电能输出至整流器16后，即可提供电流给该负载电路18。
本发明的压电发电模块具有下列优点：
(1)使用气垫提供压电片变形空间，相较于习知悬臂式结构的压电片，本发明的压电发电模块可以使压电片在有限的空间的内产生形变，输出电流，因此，压电发电模块的体积可以缩小，甚至制备成平板状结构。
(2)利用多个突起物，可以使多个压电片同时受力，放大对压电片所施加的压力，达到提高压电转换效率的效果。
(3)结构设计具有弹性，可以依照需求将多个机电转换单元垂直迭加，形成多层结构的压电发电模块，提高单位面积压电转换的效率。
(4)应用广泛，不论采用何种任意挠曲、杆压、辗压或是敲击等施力方式，皆可使本发明的压电发电模块输出电能。
比如：设计为平板状结构时，加大面板后设置于高处，两端固定，可藉由风力使平板式压电发电模块面板产生弯折，使压电片变形来产生电能。而在包覆防水膜层之后，平板式压电发电模块也可以利用潮汐，来产生电能。
另外，也可使用于行进车辆这类机械能变动大的地板或路面，作为行人或行进车辆运用的发电地板或发电马路，可有效地由路面回收行进间车辆对路面作用的机械能。
除了上述应用方式之外，由于本发明的平板式压电发电模块可被挠曲变形来产生电力，又可扩张其应用的层面及范围。
本发明虽以较佳实例阐明如上，然其并非用以限定本发明精神与发明实体仅止于上述实施例。凡熟悉此项技术者，当可轻易了解并利用其它元件或方式来产生相同的功效。是以，在不脱离本发明的精神与范畴内所作的修改，均应包含在本发明的权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种压电发电模块，其特征在于，所述的压电发电模块包括：
一上盖；
一下盖；
一机电转换单元，所述的机电转换单元系为一金属片或一导电片，所述的金属片或导电片贴有复数个压电片，所述的机电转换单元并电性连接一输出端；
一气垫，设置于所述的压电片下方，以提供所述的压电片形变空间；及
复数个突起物，固定于所述的上盖的内表面，并设置于所述的压电片上方，每一突起物受力端接触面积大于施力于所述的压电片的接触面积，用以当所述的压电发电模块受到一外力时，达到压力放大的效果。
2.如权利要求1所述的压电发电模块，其特征在于，所述的气垫材质选自橡胶、硅胶、泡棉、保丽龙球或发泡塑胶粒其中的一种。
3.如权利要求2所述的压电发电模块，其特征在于，所述的压电发电模块更包括多个气垫，所述的气垫系为气垫球，其特征在于，所述的下盖具有一凹槽以容置所述的气垫球及所述的机电转换单元。
4.如权利要求1所述的压电发电模块，其特征在于，所述的压电片长宽比大约1至10，有利于使所述的压电片弯曲产生形变。
5.如权利要求1所述的压电发电模块，其特征在于，所述的突起物的外型为一锥形体、一半圆球体或一半圆柱体，其中所述的突起物为刚性系数大约0.7以上的刚性材料。
6.如权利要求1所述的压电发电模块，其特征在于，所述的机电转换单元更包括一电路板或多个电子元件，以将所述的压电片以串联或并联相接，并将所述的压电片因形变而产生的电流输出至所述的输出端。
7.如权利要求1所述的压电发电模块，其特征在于，所述的压电发电模块更包括：
一第二机电转换单元，所述的第二机电转换单元贴有复数个第二压电片；及
一垫板，所述的垫板下表面具有复数个半圆球体突起物，所述的垫板设置于所述的机电转换单元上方，所述的第二机电转换单元放置于所述的垫板上方，当所述的上盖受力时，所述的垫板提供所述的第二压电片的变形空间，并以所述的半圆球体突起物对所述的机电转换单元施力，同时提供压力放大的效果。
8.如权利要求7所述的压电发电模块，其特征在于，所述的压电发电模块系为一平板式压电发电模块，且所述的上盖、所述的下盖及所述的垫板的材质为弹性材质，使所述的平板式压电发电模块可受任意挠曲、杆压、辗压或是敲击来使所述的压电发电模块输出电流。
9.如权利要求1所述的压电发电模块，其特征在于，所述的压电发电模块更包括一整流器、一电容或一充电电池，所述的整流器电性连接于所述的输出端及所述的电容或所述的充电电池，使所述的压电片所产生的电能输出至所述的整流器后，储存至所述的电容，或对所述的充电电池充电。
10.如权利要求1所述的压电发电模块，其特征在于，所述的输出端电性连接于一负载电路，使所述的机电转换单元受外力所产生的电能输出至所述的整流器后，即可提供电流给所述的负载电路。
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