CN104638977B - 一种基于压电转换的指压发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电转换的指压发电装置，包括方形绝缘外壳，绝缘外壳上表面设有上弹性极片，绝缘外壳下表面设有下弹性极片，绝缘外壳两竖向相对壳壁的中心之间设有一根水平固定轴，固定轴上套设有可转动胀紧块；可转动胀紧块在机械驱动机构的作用下进行转动，可转动胀紧块转动的过程中对绝缘外壳的上表面和下表面产生压力，使得绝缘外壳的上表面和下表面产生形变；所述的上弹性极片和下弹性极片连接后连接储能电容的两端，储能电容通过整流桥电路输出；本装置能够输出足以满足低功耗射频收发模块一次发射或接收数据帧操作所需的电源能量。

Description

一种基于压电转换的指压发电装置

技术领域

本发明涉及机械发电和能量转换技术领域，尤其涉及一种基于压电转换的指压发电装置。

背景技术

近些年，绿色节能环保建筑理念得到越来越广泛的推崇，尤其是欧美地区已经出现了诸多绿色节能建筑，并且，对现有的传统建筑大量地实施了绿色节能改造工程。现有的楼宇自控领域多采用BEMS系统（楼宇能源管理系统）达到降低建筑能耗的目的，然而建筑的开销不仅仅局限于水、电、热等传统能源的消耗，还包括线缆的铺设、开关、调节器、电池更换等设备维护带来的开销；当然还包括对发电供热等过程中所产生的硫、二氧化碳等污染物、废弃电池产生的有害化学物质等污染物的排放、处理，而产生一定的经济开销。

无源无线开关或者传感器是无源无线楼控产品的基本构成单元，这些无源产品的成功运用得益于不断发展并成熟的能量收集技术，使我们将日常生活中室内的微弱环境能源能够充分利用。例如人体活动的机械能量能够为楼宇自控服务，实现无线控制的目的。采用无源无线设备前，往往需要耗费许多繁杂的工作，如布线设计、铺设线缆等。当采用了无源无线设备后，繁杂的布线、铺设工作将变得多余，从而节省大量的安装材料和安装时间，并大大降低系统的安装费用。开关类电器应用于接通或断开电路，通常依靠机械能实现电路的“通”与“断”。开发一种依靠人工旋转、推拉或旋转等动作而产生一定功率的脉动能量，提供微功耗无线收发装置作为电源，实现“通”与“断”、调节、传感测量等操作的能源模块，进而提供节能、环保、低排放的绿色电器产品，必将具有巨大的应用前景与市场空间。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于压电转换的指压发电装置，能够输出足以满足低功耗射频收发模块一次发射或接收数据帧操作所需的电源能量。

本发明采用的技术方案为：

一种基于压电转换的指压发电装置，包括方形绝缘外壳，绝缘外壳上表面设有上弹性极片，绝缘外壳下表面设有下弹性极片，绝缘外壳两竖向相对壳壁的中心之间设有一根水平固定轴，固定轴上套设有可转动胀紧块；可转动胀紧块在机械驱动机构的作用下进行转动，可转动胀紧块转动的过程中对绝缘外壳的上表面和下表面产生压力，使得绝缘外壳的上表面和下表面产生形变；所述的上弹性极片和下弹性极片连接后连接储能电容的两端，储能电容通过整流桥电路输出。

当所述的可转动胀紧块的长度大于绝缘外壳上表面和下表面膨胀形成的最大间距时，所述的可转动胀紧块的初始状态呈倾斜状，且可转动胀紧块的向上倾斜端与绝缘外壳上表面处于临界状态，可转动胀紧块的向下倾斜端与绝缘外壳下表面处于临界状态；所述的机械驱动机构包括按压悬臂，按压悬臂的末端与可转动胀紧块的向下倾斜端固定连接，按压悬臂的顶端位于绝缘外壳外部，且按压悬臂的初始状态呈倾斜状，通过按压悬臂带动可转动胀紧块进行顺时针转动。

当所述的可转动胀紧块的长度等于或小于绝缘外壳上表面和下表面膨胀形成的最大间距时，所述的可转动胀紧块的初始状态无限制，所述的机械驱动机构包括连接桶，连接桶套设在固定轴上，连接桶的一端固定连接可转动胀紧块，连接桶的另一端伸出绝缘外壳外部，并连接旋钮，通过转动旋钮，带动可转动胀紧块进行顺时针或逆时针的旋转。

所述的绝缘外壳的右侧壁上设有一个竖向条形开口，开口的长度与绝缘外壳由上表面到下表面的距离等长，按压悬臂的顶端由开口伸向绝缘外壳外部，且按压悬臂的顶端设有按板。

所述的绝缘外壳的前壁上设有一个通孔，连接桶8穿过通孔伸向绝缘外壳外部。

所述的上弹性极片和下弹性极片采用压电陶瓷片，上弹性极片和下弹性极片采用串联连接的方式或者采用并联连接的方式。

所述的绝缘外壳的上表面和下表面采用弹性铜片。

本发明首先接收将人工操作的手指按压动作产生的机械能，进过机械驱动机构转换成胀紧块的机械转动，使得胀紧块沿顺时针或者逆时针转动，从而使得上弹性极片、下弹性极片产生上凸和下凹的形变，将两电极片由于受力变形而产生的电动势串联(或并联)输出。在类似按压普通电源开关操作状态下，该装置可以输出足以满足低功耗射频收发模块一次发射或接收数据帧操作所需的电源能量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的另一实施例的结构示意图；

图3为本发明的电极片等效电路图；

图4为本发明的电极片串联电路图；

图5为本发明的电极片并联电路图；

图6为本发明的电极片受力作用后发生的电压变化波形图。

具体实施方式

如图1、2和3所示，本发明包括方形绝缘外壳1，绝缘外壳1上表面设有上弹性极片2，绝缘外壳1下表面设有下弹性极片3，绝缘外壳1两竖向相对壳壁的中心之间设有一根水平固定轴4，固定轴4上套设有可转动胀紧块5；可转动胀紧块5在机械驱动机构的作用下进行转动，可转动胀紧块5转动的过程中对绝缘外壳1的上表面和下表面产生压力，使得绝缘外壳1的上表面和下表面产生形变。

当所述的可转动胀紧块5的长度大于绝缘外壳1上表面和下表面膨胀形成的最大间距时，如图1所示的状态，所述的可转动胀紧块5的初始状态呈倾斜状，且可转动胀紧块5的向上倾斜端与绝缘外壳1上表面处于临界状态，可转动胀紧块5的向下倾斜端与绝缘外壳1下表面处于临界状态；所述的机械驱动机构包括按压悬臂6，按压悬臂6的末端与可转动胀紧块5的向下倾斜端固定连接，按压悬臂6的顶端位于绝缘外壳1外部，且按压悬臂6的初始状态呈倾斜状，通过按压悬臂6带动可转动胀紧块5进行顺时针转动。所述的绝缘外壳1的右侧壁上设有一个竖向条形开口，开口的长度与绝缘外壳1由上表面到下表面的距离等长，按压悬臂6的顶端由开口伸向绝缘外壳1外部，且按压悬臂6的顶端设有按板7。

当所述的可转动胀紧块5的长度等于或小于绝缘外壳1上表面和下表面膨胀形成的最大间距时，且可转动胀紧块5在转动时与绝缘外壳1上表面和下表面相接触，如图2所示的状态，所述的可转动胀紧块5的初始状态无限制，所述的机械驱动机构包括连接桶8，连接桶8套设在固定轴4上，连接桶8的一端固定连接可转动胀紧块5，连接桶8的另一端伸出绝缘外壳1外部，并连接旋钮9，通过转动旋钮9，带动可转动胀紧块5进行顺时针或逆时针的旋转。绝缘外壳1的前壁上设有一个通孔，连接桶8穿过通孔伸向绝缘外壳1外部。

所述的绝缘外壳1的上表面和下表面采用弹性铜片，所述的上弹性极片2和下弹性极片3采用压电陶瓷片，上弹性极片2和下弹性极片3采用串联连接的方式或者采用并联连接的方式。所述的上弹性极片2和下弹性极片3连接后连接储能电容的两端，储能电容通过整流桥电路输出。

下面将结合本发明的具体实施方式及附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明提供的一种实施例的内部结构示意图，包括绝缘外壳1，绝缘外壳1呈空心长方体结构，绝缘外壳1上端面和下端面分别固定有上弹性极片2和下弹性极片3，上弹性极片2和下弹性极片3的面积小于等于上端面和下端面的面积；固定轴4固定于绝缘外壳1两竖向相对壳壁的中心之间，固定轴4不可转动；以及可绕固定轴4转动的可转动胀紧块5。以固定轴4中心为参考点，实施例中的按压悬臂6力臂长L=40mm，可转动胀紧块5力臂长l=10mm，可转动胀紧块5与水平线的夹角为15°，按压悬臂6初始状态与水平线的夹角为7.5°，按压悬臂6可移动角位移为15°按压悬臂6可移动弧长位移为H，可转动胀紧块5角位移也是15°。在按压力F的作用下，通过力臂放大，可计算出可转动胀紧块5对上、下弹性极片3的作用力F′。设手指按压力F=5N（牛顿），计算如下：

手指按压做功： ①

可转动胀紧块5产生的胀紧力： ②

单片电极片产生的电动势基于压电效应理论：

③

式中，—电极片输出电压；

—沿某方向的作用力；

—与作用力方向一致的压电系数；

—电极片沿作用力方向的结构电容。

④

式中，—真空介电常数；

—压电材料相对介电常数；

—压电材料上下面覆盖有效面积；

—压电材料上下面间距离。

将本应用实施例参数带入上式公式③中，得：

⑤

单片电极片实测的电动势最大值： ⑥

如图6所示，单片电极片受手指按压力作用，输出的电压波形近似于正态曲线。

参见图3，是本发明提供的电极片等效电路图，电极片在受外界力作用后可等效为由电荷源Q、电极片结构电容C₁的并联电路，其中电荷源产生的电荷由电极片的压电效应转换而来，由于电极片可以视为平行板电容器C₁，所以等效电路的输出电压由下式决定：

参见图4和图5，是本发明提供的串联输出和并联输出两种应用电路，C2的作用是储能与滤波。

参见图6，单片电极片在手指一次按压力作用下，输出电压与时间的对应关系曲线。在手指向下按压过程中，输出电压由零增加到最大值（约2.5伏）；在手指向上抬起过程中，输出电压由最大值（约2.5伏）将至零，整个过程持续时间约40毫秒。

实测表明，本发明装置的机—电转换效率约10%，即可将手指的一次按压操作产生的机械能以10%的效率转换成电极片输出的电能，以上电极片2和下电极片3串联应用为例计算如下：

电极片（串联）输出电能： ⑦

电极片（串联）输出电压最大值： ⑧

电极片（串联）输出平均功率：

⑨

可利用（串联）输出平均功率（条件：输出电压≥1伏）：

⑩

公式⑩即为本装置能够输出的功率。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于压电转换的指压发电装置，其特征在于：包括方形绝缘外壳，绝缘外壳上表面设有上弹性极片，绝缘外壳下表面设有下弹性极片，绝缘外壳两竖向相对壳壁的中心之间设有一根水平固定轴，固定轴上套设有可转动胀紧块；可转动胀紧块在机械驱动机构的作用下进行转动，可转动胀紧块转动的过程中对绝缘外壳的上表面和下表面产生压力，使得绝缘外壳的上表面和下表面产生形变；所述的上弹性极片和下弹性极片连接后连接储能电容的两端，储能电容通过整流桥电路输出；

当所述的可转动胀紧块的长度大于绝缘外壳上表面和下表面膨胀形成的最大间距时，所述的可转动胀紧块的初始状态呈倾斜状，且可转动胀紧块的向上倾斜端与绝缘外壳上表面处于临界状态，可转动胀紧块的向下倾斜端与绝缘外壳下表面处于临界状态；所述的机械驱动机构包括按压悬臂，按压悬臂的末端与可转动胀紧块的向下倾斜端固定连接，按压悬臂的顶端位于绝缘外壳外部，且按压悬臂的初始状态呈倾斜状，通过按压悬臂带动可转动胀紧块进行顺时针转动；

或者，所述的可转动胀紧块的长度等于或小于绝缘外壳上表面和下表面膨胀形成的最大间距时，所述的可转动胀紧块的初始状态无限制，所述的机械驱动机构包括连接桶，连接桶套设在固定轴上，连接桶的一端固定连接可转动胀紧块，连接桶的另一端伸出绝缘外壳外部，并连接旋钮，通过转动旋钮，带动可转动胀紧块进行顺时针或逆时针的旋转。

2.根据权利要求1所述的基于压电转换的指压发电装置，其特征在于：所述的绝缘外壳的右侧壁上设有一个竖向条形开口，开口的长度与绝缘外壳由上表面到下表面的距离等长，按压悬臂的顶端由开口伸向绝缘外壳外部，且按压悬臂的顶端设有按板。

3.根据权利要求1所述的基于压电转换的指压发电装置，其特征在于：所述的绝缘外壳的前壁上设有一个通孔，连接桶8穿过通孔伸向绝缘外壳外部。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于压电转换的指压发电装置，其特征在于：所述的上弹性极片和下弹性极片采用压电陶瓷片，上弹性极片和下弹性极片采用串联连接的方式或者采用并联连接的方式。

5.根据权利要求4所述的基于压电转换的指压发电装置，其特征在于：所述的绝缘外壳的上表面和下表面采用弹性铜片。