CN103427467B - 风力带动旋转式压电发电充电器 - Google Patents

Abstract

本发明风力带动旋转式压电发电充电器属于新能源技术领域，涉及一种风力带动旋转式压电发电充电器，用于收集环境中的风能并将其转换为电能。旋转式压电发电充电器由旋转式压电发电装置，接口处理电路，可充电电池组成。在旋转式压电发电装置中，压电晶体层与金属中性层构成压电双晶梁，压电双晶梁围绕主轴呈圆周阵列分布，并通过夹具固定在电机主体上。接口处理电路由整流电路，电压规整电路，电池充电电路构成。压电发电充电器的结构简单，造价便宜，清洁无污染。采用的接口处理电路所需外围电子元器件数目较少，符合低功耗设计原则，易于集成，并且具有过充电、过放电保护功能，电路稳定性较高。适用于低速风能，可与传感器节点搭配使用。

Description

风力带动旋转式压电发电充电器

技术领域

本发明属于新能源技术领域，涉及一种风力带动旋转式压电发电充电器，用于收集环境中的风能并将其转换为电能。

背景技术

目前，能源危机日渐凸显其严峻性，给人们的日常生活造成了极大的不便，新能源技术成为缓解能源危机的有效手段受到人们的重视。人们对风能的利用历史悠久，其主要利用手段是建造大型风力发电站，并且所利用的风能多是高速状态下的风能，而低速状态下的风能利用往往被人们忽视。无线传感器网络技术在环境监测、建筑物安全监测、军事等方面都有重要的应用价值。目前，对无线传感器节点多采用电池供电，这种供电方式有主要缺点如下：电池容量限制了节点的使用寿命，在恶劣环境中更换困难。因此，为无线传感器节点设计一种持续有效的供能方案迫在眉睫。

环境中存在着风能，风能是一种可再生资源。压电晶体具有压电效应，即对压电晶体施加一定压力时，压电晶体两端会产生电位差，因此压电材料被广泛应用于能量转换机构中。如，专利号102801203A，名称为“压电发电充电器”，发明人胡聪等，在该专利中，采用接触式的驱动方式使压电晶体产生振动，容易引起压电晶体脆裂，降低装置使用寿命。压电晶体作为能量转换机制具有结构简单、清洁无污染、使用寿命长、抗电磁干扰等优点。基于以上几点，本发明提出利用压电晶体作为中间换能机制，通过无接触的磁激励方式将环境中的低速风能转化为电能，并利用接口处理电路将电能储存在可反复充电的锂离子电池中，实现为无线传感器网络节点持续供能的设想。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，发明一种风力带动旋转式压电发电充电器，充分利用环境中的低速风能为无线传感器节点永久供电，该电池充电器具有结构简单，造价便宜，清洁无污染的特点。

本发明采用的技术方案是一种风力带动的旋转式压电发电充电器，其特征在于：旋转式压电发电充电器由旋转式压电发电装置，接口处理电路，可充电电池25组成；

所述旋转式压电发电装置由风扇头1、风扇叶2、主轴3、永磁铁4、金属中性层5、转盘6、底座7、压电晶体层8、夹具9、电机支架10、电机固定螺母11、电机固定螺栓12、主轴固定支架13、电路控制箱14构成；其中，风扇头1与主轴采用键连接，主轴3通过轴承固定在主轴固定支架13上，转盘6通过连接键固定在主轴3上，电路控制箱14固定在底座7上；在金属中性层5的上下表面胶合两层压电晶体，两层压电晶体的极化方向相同，都垂直于金属中性层平面，并且两层压电晶体采用并联输出方式；压电晶体层8和金属中性层5构成压电双晶梁，压电双晶梁是压电发电装置的能源部分，压电双晶梁围绕主轴3呈圆周阵列分布，并通过夹具固定在电机主体上，在金属中性层5的末端以及晶体层8的末端引出电极；激振磁铁4绕主轴3圆周阵列，激振磁铁与转盘之间采用胶合或嵌入式固定方式；转盘6上激振磁铁的个数与压电双晶梁的个数相同，压电双晶梁上的端部磁铁与转盘6上的磁铁呈现斥力状态，并且在竖直方向上正对；电机主体通过电机固定螺栓12、电机固定螺母11固定在底座7上，电路控制箱14中放置接口处理电路和充电电池25；

所述接口处理电路有整流电路，电压规整电路，电池充电电路三部分构成。其中，整流电路采用经整流桥后的并联输出方式，并联所得正极与两插针式接口16中的1引脚相连，并联所得的负极与两插针式接口16中的2引脚相连。经过全桥整流电路后并联输出的直流电源通过两插针式接口16与电压规整电路相连；在电压规整电路中，两插针式接口16的1引脚与MAX666集成芯片的输入正极17相连，两插针式接口16的2引脚与MAX666集成芯片的输入负极18相连，MAX666集成芯片的输出负极19与TP4057集成芯片的输入负极22相连，MAX666集成芯片的输出正极20与TP4057集成芯片的输入正极22相连，TP4057集成芯片的输出正极24与可充电电池25的正极相连，TP4057集成芯片的输出负极23与可充电电池25的负极相连。整流电路输出的电流流入电压规整电路中，电压规整电路将幅值不等的直流电源整合成稳定的直流电源输入到电池充电电路中，电池充电电路负责对可充电电池进行充电，同时具有电池过充电及过放电保护功能。

本发明的有益效果是本发明采用的接口处理电路结构简单，所需外围电子元器件数目较少，符合低功耗设计原则，易于集成，并且具有过充电、过放电保护功能，电路稳定性较高。适用于低速风能，可与传感器节点搭配使用，在理想情况下可以实现为传感器节点永久供电。利用磁铁之间的相互激振力使压电晶体产生振动，提高了装置抗疲劳磨损能力，优于接触式激振方式。

附图说明

附图1表示旋转式压电发电装置的结构图；附图2表示压电晶体的连接方式及整流电路原理图；附图3表示电压规整电路以及电池充电电路原理图；其中，1、风扇头；2、风扇叶；3、主轴；4、永磁铁；5、金属中性层；6、转盘；7、底座；8、压电晶体层；9、夹具；10、电机支架；11、电机固定螺母；12、电机固定螺栓；13、主轴固定支架；14、电路控制箱；15、全桥整流电路；16、两插针式接口；17、MAX666集成芯片的输入正极；18、MAX666集成芯片的输入负极；19、MAX666集成芯片的输出负极，20、MAX666集成芯片的输出正极；21、TP4057集成芯片的输入正极；22、TP4057集成芯片的输入负极；23、TP4057集成芯片的输出负极；24、TP4057集成芯片的输出正极；25、可充电电池；26、电路板地极；S1、自动开关；S2、开关；LED1、绿色灯；LED2、红色灯；C1、1μF电容，C2、10μF电容，R1、500Ω电阻，R2、10KΩ电阻。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。一种风力带动的旋转式压电发电充电器由三部分组成：旋转式压电换能装置，接口处理电路和可充电电池。本发明的整体工作流程如下：旋转式压电换能装置通过压电晶体的压电效应将风能转化为电能，压电晶体受振动产生交流电源，交流电源经过全桥整流电路后转变为直流电源，因为风力大小不同，直流电源的幅值会不同，将幅值不同的直流电源输入电压规整电路中，可得到幅值一定的直流电源，锂离子电池在充电过程中需要特定的保护电路，防止过充电和过放电，因此设计了电池充电电路，从电压规整电路流出的电流经过电池充电电路，最终流入电池中储存起来。

参照图1，旋转压电发电装置的结构图，该结构由以下几部分构成：风扇头1，风扇叶2，主轴3，永磁铁4，金属中性层5，转盘6，底座7，压电晶体层8，夹具9，电机支架10，电机固定螺母11，电机固定螺栓12，主轴固定支架13，电路控制箱14。

旋转式压电发电装置的各部分连接情况如下：风扇头1与主轴3之间采用键连接，主轴3通过2个轴承固定在主轴固定支架13上，主轴与转盘6之间采用键连接，转盘6与压电双晶梁的端部磁铁正对，电机主体是一个中空的柱形，上面固定着多个压电双晶梁，电机支架10与底座7相连，电机主体通过固定螺栓12和固定螺母11与电机支架10相连，螺栓和螺母共4对，绕主轴成圆周阵列分布，压电双晶梁通过夹具9固定在电机主体上，夹具9通过上下两个夹板、两个螺栓将压电双晶梁金属中性层5的底部固定，电路控制箱14与底座7相连。

旋转式压电发电装置的各部分作用如下：风扇叶2感受风能，将风能转化为旋转式运动；转盘6上的磁铁在主轴的旋转过程中对压电双晶梁端部磁铁产生周期性激振力；压电双晶梁是装置的能源部分；控制箱14里安放着本发明所设计的电路以及可充电电池。上述压电双晶梁包含两部分：压电双晶梁金属中性层5和压电晶体层8。具体构成方法是在金属中性层5上下表面胶合两层压电晶体，两层压电晶体的极化方向相同，都垂直于金属中性层平面。本实施例中使用的金属中性层5为铜板，使用的压电晶体8为压电陶瓷，在金属中性层5的末端以及压电晶体层8的末端引出电极。激振磁铁4绕主轴3圆周阵列，激振磁铁与转盘之间可以采用胶合或者嵌入式固定方式，激振磁铁与压电双晶梁端部磁铁之间的最优垂直距离可以通过实验确定，与磁铁之间的磁力大小有关，最优垂直距离控制电机主体半径大小。激振磁铁个数与压电双晶梁的个数相同，其目的是为了使多个压电双晶梁产生同相位的振动。经过试验测试，激振磁铁在与双晶梁端部磁铁正对时，换能效果较好。因此，本发明中激振磁铁与压电双晶梁端部磁铁正对放置。在本发明中压电双晶梁的个数为8个，实际中，可根据所面向的环境中主体风速大小以及压电双晶梁的自身换能效果适当调整压电双晶梁的个数，在此过程中，注意避免过密集的分布导致多个压电双晶梁产生互相影响。

旋转式压电发电装置的工作流程如下：风扇叶2受环境中低速风能的作用，产生旋转运动，通过键连接带动主轴3转动，进而带动转盘6产生转动，随着转盘6的转动，转盘6上的磁铁与压电双晶梁的端部磁铁之间产生无接触式周期作用力，使压电双晶梁产生周期性振动，压电晶体在端部受力时会产生弯曲变形，由压电效应可知压电晶体会随着自身弯曲变形而产生交流电，该交流电就是本发明中压电发电体的输出电源。

参照图2，压电晶体的连接方式及整流电路原理图，该图中包括：压电双晶梁，全桥整流电路15以及接口16。因为在同一个双晶梁上，上、下两层压电晶体层振动状态一致，并联连接可以增加输出电流，利于换能。所以，上、下压电晶体层之间采用并联连接方式，上、下压电层的电极相连后与金属中性层电极共同组成了压电双晶梁的输出电极。从压电双晶梁流出的电流需要经过全桥整流电路，使压电晶体产生的交流电转换为直流电源，全桥整流电路中需要采用低功耗整流二极管以降低系统功耗，虽然在理论上，增加全桥整流电路的个数会增加系统功耗，但是在实际工作中，不同压电双晶梁的振动状态是不相同的，为每个压电双晶梁单独配置全桥整流电路可以避免相互之间的充放电现象，实际上更利于换能。因为，压电晶体具有高输出电压，低输出电流的特性，因此经整流桥后将多个压电双晶梁并联可增大输出电流，有助于提高换能效果。并联所得正极与两插针式接口16中的1引脚相连，并联所得的负极与两插针式接口16中的2引脚相连。经过全桥整流电路后并联输出的直流电源通过两插针式接口16与图3中的电压规整电路相连。

参照图3，电压规整电路以及电池充电电路原理图，该电路包括：两插针式接口16；MAX666集成芯片的输入正极17；MAX666集成芯片的输入负极18；MAX666集成芯片的输出负极19；MAX666集成芯片的输出正极20；TP4057集成芯片的输入正极21；TP4057集成芯片的输入负极22；TP4057集成芯片的输出负极23；TP4057集成芯片的输出正极24；可充电电池25；电路板地极26。可充电电池采用额定电压为4.2V的可充电锂离子电池。

该电路的连接情况如下：从全桥整流电路中流出的直流电源通过两插针式接口16与电压规整电路的输入端相连，其中：两插针式接口16的1引脚与MAX666集成芯片的输入正极17（MAX666集成芯片的8引脚）相连，两插针式接口16的2引脚与MAX666集成芯片的输入负极18（MAX666集成芯片的4引脚）相连，MAX666集成芯片的输出负极19（MAX666集成芯的4引脚）与TP4057集成芯片的输入负极22（TP4057集成芯片的2引脚）相连，MAX666集成芯片的输出正极20（MAX666集成芯的4引脚）与TP4057集成芯片的输入正极22（TP4057集成芯片的2引脚）相连，TP4057集成芯片的输出正极24（TP4057集成芯片的引脚3）与可充电电池25的正极相连，TP4057集成芯片的输出负极23（TP4057集成芯片的引脚2）与可充电电池25的负极相连。

在该电路中，电压规整电路采用以集成芯片为主体的设计方法，有利于降低系统整体功耗，可以选用美信电子公司的MAX666或者MAX663等集成芯片。在本发明中，采用集成芯片MAX666为设计主体，该芯片可以将幅值范围为2-16V的直流电源转换为5V固定直流电源输出，也可以通过电阻调节使输出电压在1.3V-16V范围内任意变化，在不使用额外电子器件时，输出电压默认为5V，在本发明中，为了减少系统功耗，应尽量避免使用额外电子器件，因此设定输出电压为5V。该芯片还具有以下特点：有低至12μA的静态电流，最高可达40mA的输出电流，符合压电晶体的高电压低电流特点。电池充电电路也采用集成芯片为主体设计，可供选择的集成芯片有：南京拓维集成电路有限公司生产的TP4057和如韵电子有限公司生产的CN3063等，在本发明中采用TP4057为设计主体，从电压规整电路流入的5V的直流电源，给额定电压为4.2V的锂离子电池充电，充电电流最高可达50mA。该芯片是一款完整的单节电池充电器，其特点有：带有正负极反接保护功能；可以选择恒流/恒压充电方式；无需MOSFET、监测电阻器；输入电压范围是-0.3V-9V；带有电池充电状态指示功能；一键控制充电与否；电池过充电时可实现自我保护；电池过放电时可实现自动断接；工作环境温度范围为-40℃-+80℃等。

整个电路的工作流程如下：从全桥整流电路并联输出的直流电源流入电压规整电路中，经MAX666集成芯片的处理后输出幅值为5V的稳定直流电源，该5V直流电源流入电池充电电路中，经TP4057集成芯片处理后为可充电电池25充电。在图3中，自动开关S1起查询充电状态的作用，当自动开关S1闭合时，绿色灯LED1亮起表示电池处于充满状态，红色灯LED2亮起表示电池处于充电状态，在不需查询充电状态时，自动开关S1断开，降低系统功耗。开关S2起人为控制充电与否的作用，当开关S2闭合时，电路开始进行充电，当开关S2断开时候，电路暂时停止充电。其他电子组件的典型值为，C1为1μF电容，C2为10μF电容，R1为500Ω电阻，R2为10KΩ电阻，锂离子电池典型值为额定电压为4.2V，额定容量为500mA。

本发明结构简单，造价便宜，压电晶体作为中间换能材料具有清洁无污染，不受电磁干扰等优点，接口电路设计简洁可靠，带有充电保护功能，集成度高，所需外围电子器件较少，符合低功耗设计原则，利用磁铁之间的相互激振力使压电晶体产生振动，提高了装置抗疲劳磨损能力，优于接触式激振方式。

Claims (1)

1.一种风力带动的旋转式压电发电充电器，其特征在于：旋转式压电发电充电器由旋转式压电发电装置，接口处理电路，可充电电池（25）组成；

所述旋转式压电发电装置由风扇头（1）、风扇叶（2）、主轴（3）、永磁铁（4）、金属中性层（5）、转盘（6）、底座（7）、压电晶体层（8）、夹具（9）、电机支架（10）、电机固定螺母（11）、电机固定螺栓（12）、主轴固定支架（13）、电路控制箱（14）构成；在旋转式压电发电装置中，风扇头（1）与主轴采用键连接，主轴（3）通过轴承固定在主轴固定支架（13）上，转盘（6）通过连接键固定在主轴（3）上，电路控制箱（14）固定在底座（7）上；在金属中性层（5）的上下表面胶合两层压电晶体，两层压电晶体的极化方向相同，都垂直于金属中性层平面，并且两层压电晶体采用并联输出方式；在金属中性层（5）的末端以及压电晶体层（8）的末端引出电极；压电晶体层（8）与金属中性层（5）构成压电双晶梁，压电双晶梁围绕主轴（3）呈圆周阵列分布，并通过夹具（9）固定在电机主体上；激振磁铁（4）绕主轴（3）圆周阵列，激振磁铁与转盘之间采用胶合或嵌入式固定方式；转盘（6）上激振磁铁的个数与压电双晶梁的个数相同，压电双晶梁上的端部磁铁与转盘（6）上的磁铁呈现斥力状态，并且在竖直方向上正对；电机主体通过电机固定螺栓（12）、电机固定螺母（11）固定在底座（7）上，接口处理电路和充电电池（25）安装在电路控制箱（14）中；

所述接口处理电路由整流电路，电压规整电路，电池充电电路三部分构成；其中，整流电路采用全桥整流电路（15），采用经整流桥后的并联输出方式，并联所得正极与两插针式接口（16）中的1引脚相连，并联所得的负极与两插针式接口（16）中的2引脚相连；经过全桥整流电路后并联输出的直流电源通过两插针式接口（16）与电压规整电路相连；在电压规整电路中，两插针式接口（16）的1引脚与MAX666集成芯片的输入正极（17）相连，两插针式接口（16）的2引脚与MAX666集成芯片的输入负极（18）相连，MAX666集成芯片的输出负极（19）与TP4057集成芯片的输入负极（22）相连，MAX666集成芯片的输出正极（20）与TP4057集成芯片的输入正极（21）相连，TP4057集成芯片的输出正极（24）与可充电电池（25）的正极相连，TP4057集成芯片的输出负极（23）与可充电电池（25）的负极相连。