CN103312214B - 排式压力采能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种排式压力采能装置，为一种集成组装高效率采集零散能量的系统，该系统利用压电陶瓷的压电效应，当有压力作用在换能单元上时，换能单元发生弯曲形变，进而使换能单元中的压电陶瓷片发生形变，两个电学上并联的压电陶瓷片通过桥联的连接线输出相同性质的电荷；换能单元成排式分布，可以避免其中一个单元故障而导致的整件失效，并且每个换能单元独立换能，使小面积接触的压力能量得到最大化的转化与收集，本发明提出的换能单元为整件装置的核心，复合支架为换能单元可靠应用提供必要支撑与保护。
Description
技术领域
本发明涉及一种能量采集系统，特别涉及一种基于压电材料制作的可以通过压电陶瓷压电效应实现收集外部压力（例如行人踩踏、车载等）产生的包括机械能、势能，并将其转化为电能进行存储以备应用的发电设备，属于新型能源开发领域。
背景技术
能源和环境是21世纪人类所关注的最重要的两大主题。随着经济的发展，煤﹑石油等化石能源资源因不断消耗而日益减少，世界各国都在大力发展各种可再生能源，希望能够将环境中可以回收利用的能量进行收集和转换。压电能量收集器就是实现这一功能的一种器件，它是通过压电材料的压电效应，将环境中的机械能、势能等转换为电能。压电能量收集器具有机电转换效率高﹑输出电压高﹑结构简单﹑体积小﹑易于满足集成化要求，无需外加偏置等特点，并且不产生噪声，不受电磁干扰，所以压电能量收集器受到了越来越多的关注。
已有的相近专利如：一种基于压电材料的发电地板（CN201110279603.6），其结构复杂，一方面其设计中没有高效的提高换能效率，趋于使用压电单晶材料，成本高不易于应用推广。压电叠堆式MEMS振动能量采集器及其制备方法（CN201110054030.7）中设计的通过压电陶瓷叠堆作为压电换能元件的方式，虽然换能效率较高，但是叠堆的实现需要使用具有独石烧结的贵金属浆料，且叠堆器件依靠厚度方向多层积累形变，发挥的是纵向压电应变常数（d 33）的效果，其能量产生受到厚度方向的局限改变的限制。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供了一种集成组装高效率采集零散能量排式压力采能装置。
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种排式压力采能装置，包括若干换能单元和复合支架，所述若干换能单元呈排式固定夹持于复合支架上，所述换能单元通过两根外引导线与外部配合储能装置相连。
作为本发明的进一步改进，所述换能单元由金属基板、上粘结层和下粘结层、上压电陶瓷和下压电陶瓷，以及上电极和下电极组成，所述上压电陶瓷和下压电陶瓷分别通过上粘结层和下粘结层按照同向极化方向附着在金属基板的上下两侧，所述上电极附着在上压电陶瓷的上侧，所述下电极附着在下压电陶瓷的下侧，所述上压电陶瓷和下压电陶瓷通过两端的两根连接线桥联，所述一外引导线从上压电陶瓷或下压电陶瓷的非夹持端头引出，另一外引导线从金属基板非夹持端头引出。
作为本发明的进一步改进，所述复合支架由梁骨、帽垫、垫脚和基座组成，所述换能单元固定夹持于梁骨的两侧，所述梁骨向下通过帽垫于基座缓冲连接，基座的上端面设有若干支点，所述垫脚粘在支点上。
作为本发明的进一步改进，所述上压电陶瓷和下压电陶瓷横向压电应变系数≥400×10-12m/V。
作为本发明的进一步改进，所述上压电陶瓷和下压电陶瓷均为长方体，其长度与宽度的比值≥3、宽度与厚度的比值≥15。
作为本发明的进一步改进，所述换能单元的一端为夹持端，另一端为非夹持端，其夹持端呈排式固定夹持于梁骨两侧，而非夹持端呈自由状态。
作为本发明的进一步改进，金属基板为铍锌铜、锰钢、不锈钢、铍青铜、紫铜、玻纤或碳纤制成。
本发明的有益效果是：本发明为一种集成组装高效率采集零散能量的系统，该系统利用压电陶瓷的压电效应，当有压力作用在换能单元上时，换能单元发生弯曲形变，进而使换能单元中的压电陶瓷片发生形变，两个电学上并联的压电陶瓷片通过桥联的连接线输出相同性质的电荷；换能单元成排式分布，可以避免其中一个单元故障而导致的整件失效，并且每个换能单元独立换能，使小面积接触的压力能量得到最大化的转化与收集，本发明提出的换能单元为整件装置的核心，复合支架为换能单元可靠应用提供必要支撑与保护，其具有以下优点：
其一，换能单元为双片压电陶瓷与金属基板贴合，通过电学织构让同时工作的双片压电陶瓷输出同向电荷，大大提高能量转化效率。
其二，排式压力采能装置中的换能单元独立工作，减小了金属基板的链带阻尼，做到对小面积接触施压能量的高效提取。
其三，换能单元为长条片状，发挥了压电陶瓷的横向压电应变常数（d 31），利用长条片状结构易于发生弯曲形变的简单方式，同时通过架设限位支架，实现非常方便的能量转化。
附图说明
图1为本发明结构俯视图；
图2为本发明结构正视图；
图3为本发明换能单元的俯视图；
图4为本发明换能单元的正视图；
图5为本发明换能单元的结构拆解图；
图6为本发明复合支架结构的正视图；
图7为本发明复合支架的结构拆解图；
图中标示：1-换能单元；2-复合支架；3-外引导线；11-金属基板；12-上粘结层；13-下粘结层；14-上压电陶瓷；15-下压电陶瓷；16-上电极；17-下电极；18-连接线；21-梁骨；22-帽垫；23-垫脚；24-基座；25-支点。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
图1示出了本发明一种排式压力采能装置的一种实施方式，包括10个换能单元1和复合支架2，所述10个换能单元1呈两排式固定夹持于复合支架2上，所述换能单元1通过两根外引导线3与外部配合储能装置相连；如图3-5所示，所述换能单元由金属基板11、上粘结层12和下粘结层13、上压电陶瓷14和下压电陶瓷15，以及上电极16和下电极17组成，所述上压电陶瓷14和下压电陶瓷15分别通过上粘结层12和下粘结层13按照同向极化方向附着在金属基板11的上下两侧，所述上电极16附着在上压电陶瓷14的上侧，所述下电极17附着在下压电陶瓷15的下侧，所述上压电陶瓷14和下压电陶瓷15通过两端的两根连接线18桥联，所述一外引导线3从上压电陶瓷14或下压电陶瓷15的非夹持端头引出，另一外引导线3从金属基板11非夹持端头引出，如图6-7所示，所述复合支架由梁骨21、帽垫22、垫脚23和基座24组成，所述换能单元1固定夹持于梁骨21的两侧，所述梁骨21向下通过帽垫22于基座24缓冲连接，基座24的上端面设有若干支点25，所述垫脚23粘在支点25上，所述上压电陶瓷14和下压电陶瓷15横向压电应变系数≥400×10-12m/V，所述上压电陶瓷14和下压电陶瓷15均为长方体，其长度与宽度的比值≥3、宽度与厚度的比值≥15，所述换能单元1的一端为夹持端，另一端为非夹持端，其夹持端呈排式固定夹持于梁骨21两侧，而非夹持端呈自由状态，金属基板11和基座24为不锈钢，梁骨21、帽垫22及垫脚23采用聚四氟乙烯材料。
该系统利用压电陶瓷的压电效应，当有压力作用在换能单元1上时，换能单元1发生弯曲形变，此时换能单元1中的被拉伸的上压电陶瓷14，长度方向上承受拉伸力，从其表面外引导线3中输出负电荷，而另外一片下压电陶瓷被弯曲，长度方向上承受压力，通过连接线18，亦从引导线3中输出负电荷，依此类推并排的其它换能单元，即可实现采集并输出存储能量的过程。
Claims (6)
1.一种排式压力采能装置，包括若干换能单元(1)和复合支架(2)，其特征在于：所述若干换能单元(1)呈排式固定夹持于复合支架(2)上，所述换能单元(1)通过两根外引导线(3)与外部配合储能装置相连，所述复合支架由梁骨(21)、帽垫(22)、垫脚(23)和基座(24)组成，所述换能单元(1)固定夹持于梁骨(21)的两侧，所述梁骨(21)向下通过帽垫(22)与基座(24)缓冲连接，基座(24)的上端面设有若干支点(25)，所述垫脚(23)粘在支点(25)上。
2.根据权利要求1所述的排式压力采能装置，其特征在于：所述换能单元由金属基板(11)、上粘结层(12)和下粘结层(13)、上压电陶瓷(14)和下压电陶瓷(15)，以及上电极(16)和下电极(17)组成，所述上压电陶瓷(14)和下压电陶瓷(15)分别通过上粘结层(12)和下粘结层(13)按照同向极化方向附着在金属基板(11)的上下两侧，所述上电极(16)附着在上压电陶瓷(14)的上侧，所述下电极(17)附着在下压电陶瓷(15)的下侧，所述上压电陶瓷(14)和下压电陶瓷(15)通过两端的两根连接线(18)桥联，一外引导线(3)从上压电陶瓷(14)或下压电陶瓷(15)的非夹持端头引出，另一外引导线(3)从金属基板(11)非夹持端头引出。
3.根据权利要求2所述的排式压力采能装置，其特征在于：所述上压电陶瓷(14)和下压电陶瓷(15)横向压电应变系数≥400×10-12m/V。
4.根据权利要求2所述的排式压力采能装置，其特征在于：所述上压电陶瓷(14)和下压电陶瓷(15)均为长方体，其长度与宽度的比值≥3、宽度与厚度的比值≥15。
5.根据权利要求2所述的排式压力采能装置，其特征在于：所述换能单元(1)的一端为夹持端，另一端为非夹持端，其夹持端呈排式固定夹持于梁骨(21)两侧，而非夹持端呈自由状态。
6.根据权利要求2所述的排式压力采能装置，其特征在于：金属基板(11)为铍锌铜、锰钢、不锈钢、铍青铜或紫铜。
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