CN103532428A - 一种宽频带压电发电装置 - Google Patents

Abstract

一种宽频带压电发电装置，多个两面贴有多片压电元件的悬臂板组合在一起，悬臂板的一端固定，另一端自由，不同的悬臂板之间保持平行。由于每个悬臂板的结构尺寸不同，每个悬臂板的弯曲谐振频率也不同。本发明的组合式压电发电装置，可以将环境的某个频段的机械振动能量转换成电能，实现宽频发电，并把多个压电元件的能量收集起来，发电能量大，发电效率高。

Description

一种宽频带压电发电装置

技术领域

本发明涉及宽频带压电发电装置，一种这样的装置，可以将环境的振动机械能转换成电能。

背景技术

压电发电装置可以将周围环境或人体的振动机械能转换成电能，为电子设备供电，使电子设备无需频繁更换电池，或频繁充电，提高了电子设备的免维护性。其典型应用包括为无线传感器或无线传感网络等无线电子设备，或可移动式电子设备提供电能，在国防领域和民用领域都具有重要的应用价值。

压电发电的工作原理是基于正压电效应，将环境或人体的振动机械能转换成为电能。根据压电发电装置的结构不同，有碰撞式压电发电和弯曲式压电发电两种发电方式。碰撞式发电是利用压电元件受到碰撞时，应力发生变化，产生电能。而弯曲式压电发电是利用压电元件弯曲的时候，应力发生变化，产生电能。

弯曲式压电发电装置中，压电材料一般都是制成压电悬臂梁结构。比如中国专利CN 100414808C提出了一种压电俘能器，自由端悬挂集中质量块的悬臂梁两面粘贴压电材料，悬臂梁振动时由压电材料输出电能并存储起来，但产生的电能较小，主要用于微电子器件的供电。中国专利CN101017989A也公开了一种为微型无线传感网络节点供电的压电悬臂梁发电系统，其中压电材料仍然粘贴在悬臂梁的上下两面。中国专利CN 101262189A公开了一种利用悬臂梁的压电发电装置，其中压电材料还是粘贴在金属悬臂梁的上下两面。美国专利WO 2007121092也描述了主要用于微机电系统(MEMS)供电的的悬臂梁结构的压电能量回收装置。上述的发明专利都是利用单个的压电悬臂梁的机械振动产生电能，由于系统的结构限制，只能把外界的某一频率的机械振动转换成电能，发电效率低，频率范围窄，只能用于微型电子系统的供电。中国专利CN 101272109A公开了一种利用两组叉指型的多个压电悬臂梁，进行宽频发电装置；其中的压电悬臂梁是由压电元件直接制成，或是由压电元件粘接制成的。在上述的压电发电装置中，压电悬臂梁由两种结构形式，一种是直接用元件粘贴在一起，形成压电双晶片悬臂梁结构；另一种是把压电元件粘贴在其它材料悬臂梁的两面，形成三明治结构压电悬臂梁。

在现有的压电发电专利中，无论那一种形式的压电悬臂梁结构，都是由整块的压电元件相互粘贴，或由整块的压电元件粘贴在其它材料悬臂梁的两面，形成压电悬臂梁。在压电发电装置中，常用的压电材料是压电陶瓷。由于压电陶瓷的弹性模量较大，这样由整块的压电元件制成的压电悬臂梁一阶弯曲共振频率较高，而由自然环境或人体提供的机械振动，振动频率一般很低。这样，在使用过程中，很难使压电悬臂梁达到谐振工作状态，产生的电能比较少，无法满足一般的供电需要。而且，由整块的压电元件制成的压电悬臂梁，其中的压电材料脆性较大，容易断裂损坏，影响整个压电发电装置的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是克服目前弯曲式压电发电装置中压电悬臂梁工作频率高、容易断裂损坏的缺点，提出了一种组合式压电发电装置，利用多个两面贴有多片压电元件的悬臂板进行宽频压电发电，把自然环境或人体的振动机械能转换成电能，发电量大、发电效率高、使用寿命长。

为实现上述目的，本发明采用如下技术措施：

一种宽频带压电发电装置，其特征在于：包括支架、安装于支架上的悬臂板、粘贴于悬臂板的压电元件；其中上述悬臂板至少为2块，且相互之间平行，且全部悬臂板中至少有一部分悬臂板的弯曲谐振频率与其他部分悬臂板弯曲谐振频率不同，悬臂板弯曲谐振频率由其结构尺寸决定；该组合式压电发电装置还包括一端与悬臂板相联另一端与装置外壳相连的防止振动幅度过大时悬臂板之间或悬臂板和装置外壳之间碰撞的绳索。

悬臂板的一端固定，另一端自由。该结构的优点主要有：(1)一阶弯曲谐振频率较低；(2)压电元件在使用过程不易损坏，增加了装置的使用寿命。这种结构随着周围环境的振动，把振动机械能转化成电能。而且用多片压电元件代替整块压电元件粘贴在悬臂梁一面或两面，使压电悬臂梁的一阶弯曲谐振频率较低，在自然环境中，或把发电装置随身携带时，很容易使悬臂板达到弯曲谐振状态，此时，悬臂板表面的应力变化达到极大值，压电元件输出电压(电流)也达到极大值，发电效率最高。同时把悬臂板上的压电元件串联或并联联接。如果是串联连接，和单个压电元件相比，两个压电元件的输出电压增大一倍，电流不变；如果是并联连接，和单个压电元件相比，两个压电元件的输出电流增大一倍，电压不变。具体的联接方式，可以根据输出电量的需求决定。

但是，由于单个悬臂板表面粘贴的压电元件数量有限，面积较小，所发的电量也较少；且只有当环境的振动频率接近于悬臂梁的弯曲谐振频率时，才有较高的发电效率。为了提高单位时间内整个装置的发电量，把多个两面贴有多片压电片的悬臂板平行排列。同时，由于各个悬臂板的结构尺寸不同，它们的弯曲谐振频率也不相同，整个装置有多个弯曲谐振频率，形成一个较宽的弯曲谐振频带。当环境的振动频率落在整个发电装置的弯曲谐振频带时，发电装置就会以较高的效率将环境的振动机械能转化成电能，输出较大的电量。

但是，当环境的振动幅度过大时，会导致悬臂板之间、悬臂板和装置外壳之间发生碰撞，容易使压电元件发生破裂，发电量下降。为了避免这种情况的发生，在悬臂板和装置外壳之间用绳索相连，绳索的长度长于自然状态时，悬臂板和装置外壳之间的距离，而且绳索是弹性的。可以是弹性材料或弹簧之一或其组合制成。当环境振动幅度过大时，绳索就起到保护悬臂板的作用。

上述的悬臂板安装于支架一端称固定端，另一端称作自由端；上述部分悬臂板的自由端可以安装有影响悬臂板弯曲谐振频率的质量块。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为压电元件的结构示意图。

图2为悬臂板的侧视图。

图3为悬臂板的俯视图。

图4为整个发电装置的安装图。

图中标号名称：1、电极I，2、压电材料，3、电极II，4、支架，5、悬臂板，6、压电元件，7、装置外壳，8、弹性绳索，9、质量块。

具体实施方式

图1描述了压电元件的结构，压电元件包括压电材料2、电极电极I和电极II。其中的电极1、3涂镀在压电材料的两面，压电材料位于2个电极的中间，类似三明治结构；压电材料的极化方向平行于厚度方向。由于正压电效应，当压电元件受到应力应变时，将在电极上产生电荷和电压。压电元件中压电材料2为压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物、压电复合材料之一或其组合制成。所有压电元件采用串联或并联方式联接。

图2和图3描述了两面粘贴了多片压电元件的悬臂板结构的侧视图和俯视图，多个压电元件通过胶层均匀地粘贴在悬臂板5的上下两面上；悬臂板的自由端两面对称地安装有质量块9。悬臂板的弯曲谐振频率由悬臂板、压电元件和质量块的材料、结构尺寸共同决定。当悬臂板发生振动时，粘贴在悬臂板上的压电元件将受到交变的应力，在压电元件的电极上产生电荷和电压，将振动机械能转换成电能。如果悬臂板发生谐振，则压电元件的受到的应力将达到极大值，压电元件产生的电量也会达到极大值。

图4描述了整个压电发电装置的安装图，多个具有不同结构尺寸，上下两面粘贴多片压电元件的悬臂板，一端固定在支架上，另一端自由；每个悬臂板都有各自的弹性绳索8、和装置外壳7相连，绳索的长度长于自然状态时悬臂板和装置外壳间的距离；整个装置安装在外壳里。由于各个悬臂板的结构尺寸不同，其谐振频率也各不相同，使整个装置具有多个谐振频率。当外界环境的振动引起装置外壳和支架振动时，也将使悬臂板发生振动，产生电能。当外界环境的振动频率接近某个悬臂板的谐振频率时，将会使这块悬臂板发生谐振，产生的电量达到极大值。由于整个装置具有多个谐振频率，外界环境的振动容易引起装置的谐振，可以最大程度地吸收环境中的振动能量，实现宽频发电。当外界环境的振动幅度过大时，和装置外壳相连的弹性绳索会拉住悬臂板，防止悬臂板之间、悬臂板和装置外壳之间发生碰撞；同时，也防止悬臂板的振动幅度过大，表面应力、应变过大，使压电元件产生裂纹或破裂。

本领域技术人员可以理解，本发明的宽频带压电发电装置，其中，悬臂板的材料、形状、尺寸，每个悬臂板上压电元件的数量可以根据具体情况进行调整。压电材料可由压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物、压电复合材料之一或其组合制成。

虽然以上文字已参照特定的实施例和本发明的例子描述了本发明，但本发明不限于以上描述的实施例。按照本发明的技术原理，本领域普通技术人员参照上述技术原理实施例进行修改和变形均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种宽频带压电发电装置，其特征在于：

包括支架(4)、安装于支架(4)上的悬臂板(5)、粘贴于悬臂板的压电元件(6)；

其中上述悬臂板(5)至少为2块，且相互之间平行，且全部悬臂板中至少有一部分悬臂板的弯曲谐振频率与其他部分悬臂板弯曲谐振频率不同，悬臂板弯曲谐振频率由其质量、结构、尺寸决定；

该组合式压电发电装置还包括一端与悬臂板相联另一端与装置外壳(7)相连的防止振动幅度过大时悬臂板之间或悬臂板和装置外壳之间碰撞的弹性绳索(8)。

2.根据权利要求1所述的宽频带压电发电装置，其特征在于：所述的悬臂板安装于支架一端称固定端，另一端称作自由端；上述部分悬臂板的自由端安装有影响悬臂板弯曲谐振频率的质量块(9)。

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