CN103312216A - 一种流体压电发电装置及装置组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流体压电发电装置及装置组，其中流体压电发电装置包括转动装置、转轴、挤压转子、复合压电片和外壳；挤压转子安装在外壳内，复合压电片两端固定在外壳内壁，与外壳保持一定距离以提供其形变的空间；转动装置通过转轴带动挤压转子转动。流体压电发电装置通过流体运动推动转动装置旋转，从而带动挤压转子旋转，间断性地挤压复合压电片产生电荷，将流体的能量转换为电能。复合压电片两端固定，其形变由挤压转子的轮廓决定，不具有自由振动，所产生的电压或电流比悬臂梁式压电发电装置更稳定。

Description

一种流体压电发电装置及装置组

技术领域

本发明涉及一种压电发电装置，更具体地，涉及一种流体压电发电装置及装置组。

背景技术

压电发电是一种新型的绿色的能源技术，可为无线传感器或电子标签等无线电子产品或移动电子设备提供电能，在国防领域或民用领域有广泛的应用前景。压电发电装置可以将环境中的振动能量转化为电能，为电子产品供电，可以除去电子产品的外部电源，使电子产品更加智能化、便携化。此外，电子产品无需频繁更换电源或频繁充电，降低了电子产品的维护要求。

压电发电装置中一般是制成压电悬臂梁的结构，压电悬臂梁受到外界环境中的振动的作用，自身产生振动。由于压电材料的正压电效应，将外界环境中的振动能量转换为电能。但是，由于外界环境中振动产生的因素及其变化很复杂，因此直接从外界获取振动能量较难满足压电悬臂梁产生持续振动的条件。而俘获并利用外界环境中流体的能量就简单许多，并且流体运动往往蕴藏着丰富能量，如风能、水能、潮汐能等。此外，压电悬臂梁在外力拨动下，压电悬臂梁受迫振动后会有一段自由振动的过程。自由振动的幅度、频率等参数不容易控制，并且压电悬臂梁每次被拨动时已具有的挠度无法确定，因而拨动后的挠度变化也无法控制，会导致发电效率下降。

利用流体能量用于发电如今已经广泛应用于各个领域，流体发电多是通过流体发电机组，利用电磁感应定律实现发电，这种发电设备往往结构复杂，必须装配铁芯及绕组，使用不便且造价高昂。

发明内容

本发明的主要目的在于克服悬臂梁式压电发电装置发电不稳定和传统流体发电设备的造价高的不足，提供一种能方便利用流体能量且造价低廉、结构简单的流体压电发电装置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种流体压电发电装置，包括转动装置、转轴、挤压转子、复合压电片和外壳；所述挤压转子安装在外壳内，所述复合压电片两端固定在外壳内壁，与外壳保持一定距离以提供其形变的空间；所述转动装置通过转轴带动挤压转子周期性地挤压复合压电片。

流体中蕴含丰富的能量，通过外界流体运动推动转动装置转动，从而带动挤压转子旋转，间断周期性地挤压复合压电片，使复合压电片反复形变产生电荷，最终达到发电的效果。采用流体运动使复合压电片反复形变的方式比直接利用自然振动的方式更有效简便，同时上述流体压电发电装置无需配铁芯及绕组，降低加工制造难度，从而显著降低发电装置的成本。

上述外壳可以构成封闭空腔，也可以为开放式空腔；当外壳构成封闭空腔时，则将复合压电片和挤压转子安装在封闭空腔内，确保复合压电片和挤压转子与外界隔离，从而延长复合压电片和挤压转子的寿命。复合压电片的两端固定在外壳的内壁；被挤压转子挤压时，复合压电片会有一定的形变，则复合压电片应与外壳内壁保持一定距离，复合压电片不是完全贴合在外壳内壁上。挤压转子具有一定厚度，在满足强度需求情况下，选用耐磨材料，可选用金属或工程塑料，能够使装置的使用寿命更长，其中挤压转子不限于实心，可为不完全实心、也可为空心，使其质量更小，从而避免转动时惯性太大，触碰过于剧烈，对复合压电片造成裂纹或者破裂。

一般的压电发电装置的压电片采用的是悬臂梁结构，在外力拨动下，压电悬臂梁受迫振动后会有一段自由振动的过程。自由振动的幅度、频率等参数不容易控制，并且压电悬臂梁每次被拨动时已具有的挠度无法确定，因而拨动后的挠度变化也无法控制，会导致发电效率下降。所以在本发明中采用的是两端固定的压电片，压电片的形变始终由挤压转子的轮廓决定，去除自由振动，从而使输出电压或电流的幅度和变化更稳定。对挤压转子的轮廓进行优化设计，可使压电片的发电效率提高。

更进一步的，所述复合压电片为若干个，复合压电片围绕挤压转子布置。在流体发电装置工作时，即挤压转子工作时，挤压转子周期性地挤压复合压电片。复合压电片可以均匀布置在挤压转子周围，也可以随机布置。

挤压转子与复合压电片挤压后，为了防止复合压电片自由振动同时保证在挤压过程中的相对运动平稳，减少磨损，故将挤压转子设置为成包括挤压端和自然贴合端，挤压端和自然贴合端平滑连接；所述挤压端和自然贴合端皆涂覆有润滑剂。

所述挤压转子呈圆柱体状，所述圆柱体的横截面圆周上设有凸起的边，所述凸起的边与圆周边平滑连接。

更进一步的，所述挤压转子横截面上凸起的边为弧形角，围绕圆心对称分布。

更进一步的，所述复合压电片包括朝向外壳的压电复合层和朝向挤压转子的基片层；采用这种分布是可以减少压电复合层上压电材料的磨损。

更进一步的，所述复合压电片的压电复合层的宽度小于或等于基片层的宽度，长度小于基片层的长度，压电复合层表面附有导电极，所述导电极以串联或并联方式相连；所述复合压电片的基片层采用弹性耐磨材料。其中复合压电片的压电复合层长度小于基片层的长度，这是由于固定复合压电片是通过基片层固定的；压电复合层表面附有导电极，采用电极与叠层共烧工艺制备，导电极以串联或并联方式相连，当导电极采用串联方式连接时，其产生的电压较大，当导电极采用并联方式连接时，其产生的电流较大，具体采用何种连接方式根据具体需要选择；将所有复合压电片因形变产生的电压或电流引至功率电子器件，经处理后，可将波纹变化不规则的交流电压或电流转化为幅度稳定的直流电压或电流，输送至负载或充电装置。

更进一步的，所述压电复合层为由压电层与金属层构成的多层复合结构，压电层与金属层之间设有导电层。

更进一步的，所述压电层采用压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物或压电复合材料中的一种或其组合制成，压电层以最佳的极化方向设置使其输出电流或电压最大化。

更进一步的，所述转动装置为扇叶片，所述扇叶片选用轻质耐冲击材料；所述转轴与挤压转子采用金属焊接键焊接。扇叶片选用轻质耐冲击材料，流体能轻易推动扇叶片旋转，从而带动挤压转子旋转，间断性地挤压复合压电片，使复合压电片反复形变产生电荷。转轴与挤压转子采用金属焊接键焊接，使转轴转动能带动挤压转子转动。

更进一步的，本发明还提出一种能受到两个方向流体的推动作用的流体压电发电装置，转动装置为一对，转轴贯穿整个外壳，转动装置分别设在转轴两端。

更进一步的，所述外壳下方设有转轴，使所述流体压电发电装置能在水平面上自由转动，在外壳上方或外表面设有导流片。转轴旋转带动流体压电装置能在水平面上自由转动；其中导流片是面积大于所述的流体压电发电装置的侧面截面积的硬质薄片，导流片使流体运动能轻易带动流体压电发电装置转动，从而根据流体运动的方向改变转动装置朝向。

本发明还提出一种流体压电发电装置应用的流体压电发电装置组，所述流体压电发电装置的外壳上方设有支撑杆，多个不同朝向的流体压电发电装置通过支撑杆连接，构成流体压电发电装置组。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：提供一种发电稳定、造价低廉且构造简单的压电发电装置，能方便利用流体推动转动装置转动，从而带动挤压转子转动，间断性地挤压复合压电片，使之反复形变产生电能，有效地利用流体的能量。

附图说明

图1是实施例一整体结构图。

图2是实施例一整体正视图。

图3是实施例一整体侧视图。

图4是实施例一腔内正视图。

图5是串联复合压电片结构图。

图6是并联复合压电片结构图。

图7是实施例二整体结构图。

图8是实施例三整体结构图。

图9是实施例四整体结构图。

图10是实施例五整体结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述，但本发明的实施方式并不限于此。

图中：1-扇叶片、2-转轴、3-挤压转子、4-复合压电片、41-压电复合层、42-基片层、411-压电层、412-金属层、5-外壳、6-导线、7-支撑杆、8-导流片。

实施例一

附图1-3依次为本发明实施例一的整体结构图、正视图及侧视图，本发明为一种流体压电发电装置，其组成包括扇叶片1、转轴2、挤压转子3、多个复合压电片4、外壳5。

其中，外壳5构成密闭空腔，复合压电片4两端固定在装置外壳5内壁，与外壳5保持一定距离以提供其形变的空间，转轴2连接着扇叶片1和挤压转子3。转轴2上可添加润滑剂，减少转动时所受的摩擦。

本发明的工作原理参照附图4，外界环境中的流体运动推动扇叶片1旋转，从而带动挤压转子3旋转，间断性地挤压复合压电片4，使复合压电片4反复形变产生电荷。这种利用外界环境中流体运动的作用使复合压电片4反复形变的方式比直接利用自然振动的方式更有效简便，且流体蕴涵着丰富的能量。在本实施例中，外壳5为圆柱体，挤压转子3采用横截面有6个凸起的边的圆柱体，凸起的边为弧形角，围绕圆心对称分布，6个复合压电片4均匀安装在外壳5内壁上。

扇叶片1应当选用轻质耐冲击材料，且流体运动应能轻易地推动扇叶片1旋转。转轴2与挤压转子3采用金属焊接键焊接，使转轴2转动能带动挤压转子3转动。

挤压转子3存在能挤压复合压电片4的凸起边缘，如图4中实线所示，也存在转动时自然紧贴复合压电片4的紧贴边缘，如图4中虚线所示，这样，挤压转子3在旋转时才能间断性地挤压复合压电片4，使复合压电片4交替拱起、复原。挤压转子3具有一定厚度，在满足强度需求的情况下，选用耐磨材料，可选用金属或工程塑料，可使该装置的使用寿命更长。挤压转子3不限于实心、可为不完全实心，也可为空心，使其质量更小，可避免转动时因惯性太大，触碰过于剧烈，对复合压电片4造成裂纹或破裂。在本实施例中采用的圆面的凸起的边为弧形角，使其与复合压电片4的相对运动平稳，减小磨损。凸起的幅度应在复合压电片4的弹性范围内，避免因过度挤压，对复合压电片4造成裂纹或破裂。

    参照附图5、图6，复合压电片4包括位于上层的压电复合层41和位于下层的基片层42。其中压电复合层41朝向外壳5，基片层42朝向挤压转子3。

复合压电片的基片层42采用弹性耐磨材料，其与挤压转子3的接触部分添加润滑剂，减小其与挤压转子3之间的摩擦，能减轻对基片层42与挤压转子3的磨损，延长装置的寿命，并且能减少能量转换过程中的损耗。

压电复合层41为由压电层411与金属层412构成的多层复合结构，压电层411与金属层412之间设有导电层。压电层411采用压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物、压电复合材料之一或其组合制成，压电层411以最佳的极化方向设置使其输出电流或电压最大化。图5、图6所示的压电复合层41为上下两层为压电层411，中间为金属层412的三层结构。其中，压电层411采用相同极化方向设置，以并联方式连接，如图5所示，则可获得较大的输出电流；压电层411采用相反极化方向设置，以串联方式连接，如图6所示，则可获得较大的输出电压。

由于压电复合层41上有较易磨损的压电材料，所以复合压电片4固定时应当朝向外壳5的一层为压电复合层41，朝向挤压转子3的一层为基片层42。

压电复合层41的宽度小于或等于基片层42的长度，长度小于基片层42的长度，这是由于复合压电片4的固定是通过基片层42固定的，压电复合层42表面附有导电极，采用电极与叠层共烧工艺制备，以串联或并联方式相连，将所有复合压电片因形变产生的电压或电流引至功率电子器件，经处理后，可将波纹变化不规则的交流电压或电流转化为幅度稳定的直流电压或电流，输送至负载或充电装置。复数片复合压电片4相互平行设置，挤压转子3转动一圈，能使多个复合压电片4产生形变，从而产生更大的电能输出，提高对流体能量的利用率。

流体压电发电装置的外壳5形状不限于附图1-3所示的圆柱体，挤压转子3的形状不限于附图1-3所示的横截面有6个凸起的边的圆柱体，复合压电片4固定方式不限于附图1-3所示的方式，压电复合层411不限于附图5-6所示的三层结构。

实施例二

本发明的实施例二如图7所示，其中，外壳5为长方体，挤压转子3为横截面为有4个凸起的边的圆柱体，4个复合压电片4均匀安装在外壳5内壁上。流体运动推动扇叶片1旋转，从而带动挤压转子3旋转，间断性地挤压复合压电片4，也能达到同样的工作效果，其中挤压转子3的凸起的边采用弧形角，使其与复合压电片4的相对运动平稳，减小磨损。其他具有通常知识者可轻易推知的外壳5形状、挤压转子3形状、复合压电片4固定方式及压电复合层41结构的变化，也应在本发明的保护范围内，在此不一一描述。

实施例三

为提高对流体能量的利用率，作为本发明的进一步改进，本发明的实施例三如图8所示，转轴2可贯穿整个装置，两端各设一扇叶片1，使压电发电装置能受到两个方向流体的推动作用。

实施例四

作为对本发明一种进一步的改进，本发明的实施例四如图9所示，外壳5下方设有支撑杆7，外壳5上方设多个不同朝向流体压电发电装置，使整套装置组能受到多个方向流体的推动作用。图9中设置两个两端各有一对扇叶片1的流体压电发电装置，两个装置朝向相互垂直，使整套装置能受到四个方向流体的推动作用，更进一步提高对流体能量的利用率。

实施例五

作为对本发明的另一种进一步的改进，本发明的实施例五如图10所示，外壳5下方设有转轴2，使流体压电发电装置能在水平面上自由转动，在外壳5上方或外表面设有导流片8。导流片8是面积大于流体压电发电装置的侧面截面积的硬质薄片，使流体运动能轻易带动装置转动，起到装置能根据流体运动方向而改变扇叶片1朝向的导向作用。图10中所示的装置可用于采集风能，导流片8面法线垂直于转轴2，设置于外壳5上方，风推动导流片8使装置转动，能使扇叶片1朝向与风向相同，从而带动扇叶片1转动使的压电发电装置工作。

为使本发明的使用寿命更长，当应用于利用水能、潮汐能或工作于较潮湿的环境应在装置外壳5包覆一层防水膜层，以防止水或水汽渗入，造成复合压电片4受损。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种流体压电发电装置，其特征在于，包括转动装置、转轴、挤压转子、复合压电片和外壳；所述挤压转子安装在外壳内，所述复合压电片两端固定在外壳内壁，与外壳保持一定距离以提供其形变的空间；所述转动装置通过转轴带动挤压转子周期性地挤压复合压电片。

2.根据权利要求1所述的流体压电发电装置，其特征在于，所述复合压电片为若干个，复合压电片围绕挤压转子布置。

3.根据权利要求1或2所述的流体压电发电装置，其特征在于，所述挤压转子包括挤压端和自然贴合端，所述挤压端和自然贴合端平滑连接；所述挤压端和自然贴合端皆涂覆有润滑剂。

4.根据权利要求3所述的流体压电发电装置，其特征在于，所述挤压转子呈圆柱体状，所述圆柱体的横截面圆周上设有凸起的边，所述凸起的边与圆周边平滑连接。

5.根据权利要求4所述的流体压电发电装置，其特征在于，所述挤压转子横截面上凸起的边为弧形角，围绕圆心对称分布。

6.根据权利要求1所述的流体压电发电装置，其特征在于，所述复合压电片包括朝向外壳的压电复合层和朝向挤压转子的基片层；所述复合压电片的压电复合层的宽度小于或等于基片层的宽度，长度小于基片层的长度，压电复合层表面附有导电极，所述导电极以串联或并联方式相连；所述复合压电片的基片层采用弹性耐磨材料。

7.根据权利要求6所述的流体压电发电装置，其特征在于，所述压电复合层为由压电层与金属层构成的多层复合结构，压电层与金属层之间设有导电层。

8.根据权利要求1、2、6或7所述的流体压电发电装置，其特征在于，所述转动装置为一对，转轴贯穿整个外壳，转动装置分别设在转轴两端。

9.根据权利要求1或8所述的流体压电发电装置，其特征在于，所述外壳下方设有转轴，转轴带动所述流体压电发电装置在水平面上自由转动，在外壳上方或外表面设有导流片。

10.一种应用权利要求1-9任一项所述的流体压电发电装置的装置组，其特征在于，所述流体压电发电装置的外壳上方设有支撑杆，多个不同朝向的流体压电发电装置通过支撑杆连接，构成流体压电发电装置组。

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