CN103023375B

CN103023375B - 一种高效率压电发电装置

Info

Publication number: CN103023375B
Application number: CN201210427709.0A
Authority: CN
Inventors: 杨颖�; 沈钦龙; 金家楣
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2032-10-31
Also published as: CN103023375A

Abstract

本发明公开了一种高效率压电发电装置，由涡轮转子组件、弹簧滑块组件、弯折打杆组件、压电振子组件构成，所述的涡轮转子组件包括涡轮叶片、转轴和凸轮构成；弹簧滑块组件包括安装筒、推杆、安装筒盖、弹簧、滑块推杆和支撑盘构成；弯折打杆组件由圆环、打杆、转动滑块、第二销钉和支撑架构成；压电振子组件由压电材料、第一电极、第二电极、第一导线、第二导线组成。本发明采用机械的凸轮连杆机构和滑块机构，可以保证每次敲击部位的准确性，产生更平稳高效的电能；克服了由离心力来提供撞击的装置，在高速流体作用下会产生离心力过大而紧贴压电振子而失效。

Description

一种高效率压电发电装置

技术领域

本发明属于风力发电和水力发电领域，特别是一种高效率压电发电装置。

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、适用范围广的高效率压电发电装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种高效率压电发电装置，由涡轮转子组件、弹簧滑块组件、弯折打杆组件、压电振子组件构成，所述的涡轮转子组件包括涡轮叶片、转轴和凸轮构成，转轴设置在主轴架上，并转动，涡轮叶片固定在转轴的一端，凸轮固定在转轴的中间，主轴架安装在底座上；弹簧滑块组件包括安装筒、推杆、安装筒盖、弹簧、滑块推杆和支撑盘构成，所述的弹簧放置在安装筒内，滑块推杆穿过弹簧，该滑块推杆一端与支撑盘连接，另一端与推杆连接，该推杆穿过安装筒盖，并由安装筒盖限位，凸轮始终与推杆接触；弯折打杆组件由圆环、打杆、转动滑块、第二销钉和支撑架构成，其中圆环安装在底座上，并位于主轴架之间，支撑架固定在圆环上，打杆通过第二销钉架于支撑架上，打杆在支撑架上转动，转动滑块通过第一销钉连接在支撑盘上，转动滑块在支撑盘上转动，所述的打杆与转动滑块形成滑动连接；圆环盖安装在圆环上，安装筒垂直固定在圆环盖上；压电振子组件由压电材料、第一电极、第二电极、第一导线、第二导线组成，第一电极、第二电极涂在压电材料的两面形成压电片，第一导线与第一电极连接，第二导线与第二电极连接，第一导线、第二导线与负载连接，该压电片粘贴在弹性片上形成压电振动片，弹性片的一端嵌入在圆环的内外圆柱面上，并用环氧树脂固定，另一端自由，形成悬臂梁结构。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）采用机械的凸轮连杆机构和滑块机构，可以保证每次敲击部位的准确性，产生更平稳高效的电能；（2）克服了由离心力来提供撞击的装置，在高速流体作用下会产生离心力过大而紧贴压电振子而失效；（3）可以根据安装所在地的流体力和安防空间设计不同数量的打杆，增加对应数量的压电振子，从而使得其变化范围大大增加，从而可以更好因地因时安装不同型号的该装置，并且同时可以敲打四个边，因此实现高效率的发电；（4）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。在很小和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，可以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是本发明高效率压电发电装置的主视图。

图2是本发明高效率压电发电装置内部结构示意图。

具体实施方式

结合图1和图2，本发明高效率压电发电装置，由涡轮转子组件、弹簧滑块组件、弯折打杆组件、压电振子组件构成，所述的涡轮转子组件包括涡轮叶片8、转轴7和凸轮9构成，转轴7设置在主轴架10上，并转动，涡轮叶片8固定在转轴7的一端，凸轮9固定在转轴7的中间，主轴架10安装在底座1上；

弹簧滑块组件包括安装筒5、推杆11、安装筒盖12、弹簧13、滑块推杆6和支撑盘17构成，所述的弹簧13放置在安装筒5内，滑块推杆6穿过弹簧13，该滑块推杆6一端与支撑盘17连接，另一端与推杆11连接，该推杆11穿过安装筒盖12，并由安装筒盖12限位，凸轮9始终与推杆11接触；

弯折打杆组件由圆环2、打杆14、转动滑块15、第二销钉18和支撑架19构成，其中圆环2安装在底座1上，并位于主轴架10之间，支撑架19固定在圆环2上，打杆14通过第二销钉18架于支撑架19上，打杆14在支撑架19上转动，转动滑块15通过第一销钉16连接在支撑盘17上，转动滑块15在支撑盘17上转动，所述的打杆14与转动滑块15形成滑动连接；圆环盖4安装在圆环2上，安装筒5垂直固定在圆环盖4上；

压电振子组件由压电材料20、第一电极21、第二电极22、第一导线23、第二导线24组成，第一电极21、第二电极22涂在压电材料20的两面形成压电片，第一导线23与第一电极21连接，第二导线24与第二电极22连接，第一导线23、第二导线24与负载25连接，该压电片粘贴在弹性片3上形成压电振动片，弹性片3的一端嵌入在圆环2的内外圆柱面上，并用环氧树脂固定，另一端自由，形成悬臂梁结构。

本发明高效率压电发电装置的打杆14、转动滑块15、第一销钉16、第二销钉18、支撑架19和压电振动片数量相同，为四个以上，四个以上相同结构压电振动片在圆环2的圆柱面上构成多边形内部结构。其中打杆14为弯折型的形状，在弯折处通过第二销钉18与支撑架19连接，一端弯折段与压电片在滑块推杆6上升阶段时接触，另一端弯折段在转动滑块15内滑动。

本发明涡轮叶片8将空气或水流的动能转化为转轴7转动的动能，从而带动凸轮9的转动。由于凸轮9的偏心，在凸轮9下降过程中必然将推杆11下压，推杆11与滑块推杆6紧固连接，从而带动滑块推杆6向下运动，又因为支撑盘17与推杆11也是紧固连接，所以进一步在力传导下实现支撑盘17向下运动，于此来带动活动滑块15，因为打杆14与活动滑块15属于滑动连接，所以使得打杆14绕第二销钉18向上转动，远离压电振子片；当凸轮9上升时，由于弹簧13所产生弹力将弹簧滑块组件向上抬起，从而带动活动滑块15，进而使得打杆14绕着第二销钉18敲击压电振动片使其产生弯曲振动，弹性片3的振动使得压电材料20产生变形，由于压电效应，进而使压电材料20由第一电极21、第二电极22上产生电荷，经第一电极21、第二电极22和第一导线23、第二导线24输出到负载25，在与负载25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。负载 25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。

Claims

1.一种高效率压电发电装置，其特征在于：由涡轮转子组件、弹簧滑块组件、弯折打杆组件、压电振子组件构成，所述的涡轮转子组件包括涡轮叶片（8）、转轴（7）和凸轮（9）构成，转轴（7）设置在主轴架（10）上，并转动，涡轮叶片（8）固定在转轴（7）的一端，凸轮（9）固定在转轴（7）的中间，主轴架（10）安装在底座（1）上；

弹簧滑块组件包括安装筒（5）、推杆（11）、安装筒盖（12）、弹簧（13）、滑块推杆（6）和支撑盘（17）构成，所述的弹簧（13）放置在安装筒（5）内，滑块推杆（6）穿过弹簧（13），该滑块推杆（6）一端与支撑盘（17）连接，另一端与推杆（11）连接，该推杆（11）穿过安装筒盖（12），并由安装筒盖（12）限位，凸轮（9）始终与推杆（11）接触；

弯折打杆组件由圆环（2）、打杆（14）、转动滑块（15）、第二销钉（18）和支撑架（19）构成，其中圆环（2）安装在底座（1）上，并位于主轴架（10）之间，支撑架（19）固定在圆环（2）上，打杆（14）通过第二销钉（18）架于支撑架（19）上，打杆（14）在支撑架（19）上转动，转动滑块（15）通过第一销钉（16）连接在支撑盘（17）上，转动滑块（15）在支撑盘（17）上转动，所述的打杆（14）与转动滑块（15）形成滑动连接；圆环盖（4）安装在圆环（2）上，安装筒（5）垂直固定在圆环盖（4）上；

压电振子组件由压电材料（20）、第一电极（21）、第二电极（22）、第一导线（23）、第二导线（24）组成，第一电极（21）、第二电极（22）涂在压电材料（20）的两面形成压电片，第一导线（23）与第一电极（21）连接，第二导线（24）与第二电极（22）连接，第一导线（23）、第二导线（24）与负载（25）连接，该压电片粘贴在弹性片（3）上形成压电振动片，弹性片（3）的一端嵌入在圆环（2）的内外圆柱面上，并用环氧树脂固定，另一端自由，形成悬臂梁结构。

2.根据权利要求1所述的高效率压电发电装置，其特征在于：打杆（14）、转动滑块（15）、第一销钉（16）、第二销钉（18）、支撑架（19）和压电振动片数量相同，为四个以上，四个以上相同结构压电振动片在圆环（2）的圆柱面上构成多边形内部结构。

3.根据权利要求1或2所述的高效率压电发电装置，其特征在于：打杆（14）为弯折型的形状，在弯折处通过第二销钉（18）与支撑架（19）连接，一端弯折段与压电片在滑块推杆（6）上升阶段时接触，另一端弯折段在转动滑块（15）内滑动。